Procedimiento de transmisión (modulación) y recepción (demodulación) de señales en sistemas de comunicación con modulación multiportadora DFT y transmultiplexadores basados en bancos de filtros modulados en seno y/o coseno y los correspondientes dispositivos para transmitir y recibir las señales,

para uno o múltiples usuarios, con una o múltiples etapas de transmisión y de recepción. La modulación multiportadora implementada a través de algoritmos rápidos de la DFT (directa e inversa), está embebida en un transmultiplexador basado en bancos de filtros. Cuando los bancos de filtros de análisis y de síntesis se obtienen mediante determinadas modulaciones coseno y/o seno, se deducen implementaciones eficientes que engloban bloques de operaciones matriciales y de transformación (discreta del coseno y/o del seno, en cualquiera de sus variantes y que pueden ser implementadas también mediante algoritmos eficientes), y bloques de filtrado polifase, estructuras en celosía, y/o estructurasen mariposa

Procedimiento de transmisión (modulación) y recepción (demodulación) de señales en sistemas de comunicación con modulación multiportadora DFT y transmultiplexadores basados en bancos de filtros modulados en seno y/o coseno, dispositivos para transmitir y recibir.

Sector de la técnica

La invención se encuentra enmarcada en el sector de las telecomunicaciones. Ejemplos ilustrativos no limitativos de utilidad de la invención pueden ser: comunicaciones de banda ancha (xDSL (Digital Subscriber Line), Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMax (Wireless Interoperability for Microwave Access)) y ultra-ancha (Ultra-Wide Band), redes mesh, radiodifusión digital de audio (DAB) y de Video (DVB) -radiodifusión de televisión digital terrestre-, comunicaciones móviles (FLASH-OFDM, multicarrier-CDMA (Code Division Multiple Access)), comunicaciones a través de la red eléctrica convencional (Power Line Communications), Sistemas Software-Defined Radio, sistemas Cognitive Radio, sistemas que empleen OFCDM (orthogonal-frequency and code-division multiplexing), etc. En definitiva, todas aquellas técnicas que empleen modulación multiportadora en alguna de sus etapas.

Estado de la técnica

Las técnicas de acceso al medio basadas en la modulación multiportadora (MCM), entre las que se encuentran OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - múltiplex por división en frecuencia ortogonal) para sistemas inalámbricos, y DMT (Discrete Multitone Modulation - modulación multitono discreta) para tecnologías xDSL (Digital Subscriber Line - línea de abonado digital), van a aumentar su implantación en las futuras generaciones de sistemas de comunicación de banda ancha. Entre sus principales ventajas, se pueden citar su efectividad para combatir el efecto multitrayecto o los desvanecimientos selectivos en frecuencia. Además, cuando se trata de canales que varían lentamente con el tiempo, se puede mejorar el rendimiento del sistema con un incremento significativo de la tasa de transmisión por subportadora. Bien es cierto que MCM no está exenta de inconvenientes, los cuales deben ser solventados en los próximos años: sincronización en tiempo, y especialmente en frecuencia, elevada relación entre la potencia de pico y la potencia promedio (PAPR) y el comportamiento frente a interferencias de banda estrecha [Go106]. Uno de las principales características de este invento consiste en la mejora de algunas de estas deficiencias, aportando varias soluciones novedosas que denominamos modulación multiportadora embebida (Embedded Multicarrier Modulation) acrónimo E-MCM.

MCM ha sido recomendada en numerosos estándares para transmisión de datos en sistemas de comunicación de banda ancha. A modo de ejemplo, es la modulación que se recomienda en el estándar IEEE802.11 a/g para transmisión de datos en redes de área local inalámbricas. Dicho estándar, presenta diferentes tasas de transmisión, que van desde los 6 a los 54 Mbps, las cuales se consiguen modificando el codificador convolucional y el tipo de modulación. Sin embargo, cuando el medio presenta una baja SNR, el comportamiento se deteriora considerablemente. A este deterioro también contribuye el hecho de que las bandas de frecuencia de transmisión se sitúan sobre los 2,4 y 5 GHz, las cuales son bandas que no necesitan licencia y que se comparten con otros dispositivos, apareciendo en ocasiones interferencias indeseadas.

Esta modulación también ha sido adoptada en un gran número de estándares: DAB -Digital Audio Broadcasting, DVB -Digital Video Broadcasting, las redes inalámbricas de área local (WLAN), -basadas en los estándares IEEE 802.1 la y g e IEEE802.16, ETSI BRAN HIPERLAN/2-, o la transmisión de datos sobre bucle de abonado digital asimétrico (ADSL, ADSL2 y ADSL2+) y de muy alta velocidad (VDSL). La figura 1 muestra la estructura del transmisor y del receptor que habitualmente se utiliza en modulación multiportadora. En su etapa transmisora, consta de un bloque que efectúa una transformada discreta de Fourier inversa (IDFT) de M puntos -donde M es el número de subcanales o subportadoras-, habitualmente implementada a través de algoritmos rápidos (Inverse Fast Fourier Transform - IFFT). Así mismo, también hay un convertidor paralelo serie para conformar una señal y, que puede ser transmitida o procesada a través de otros sistemas. La etapa de recepción, por su parte, está conformada por un convertidor serie/paralelo, y posteriormente un bloque que efectúa la transformada discreta de Fourier (DFT), también implementada habitualmente a través de algoritmos rápidos (FFT) que conllevan un ahorro en el número de operaciones que hay que realizar para obtener la señal de salida resultante. La figura 2 muestra un ejemplo ilustrativo no limitativo de realizar los convertidores Paralelo/Serie y Serie/Paralelo. Algunas otras implementaciones equivalentes se pueden encontrar en [Aka96, cap. 2]. La notación, y representación de los elementos que se emplean en estas figuras es idéntica a la que se utiliza en [Vai93], tanto para los elementos de retardo como para los bloques de diezmado y de interpolación.

Es bien conocido que la DFT se puede interpretar desde la teoría de bancos de filtros: es un banco de filtros modulado exponencialmente, en el que el filtro prototipo es una ventana rectangular de longitud M [Vai93, Mit01]. Concretamente, cada uno de los filtros del banco presenta una discriminación muy limitada (13.5 dB por subcanal). Este efecto trae consigo numerosas desventajas, por ejemplo: las interferencias de radio frecuencia (RFI), que ocasionan las emisoras de radio o los radioaficionados, suelen ser más nocivas; existe una elevada paradiafonía o diafonía de entorno cercano (NEXT) en DSL; además también se producen degradaciones en el funcionamiento de los sistemas de comunicación [Gov99, Mar98, San95]. En definitiva, el comportamiento en entornos ruidosos de los sistemas OFDM/DMT basados en la DFT, especialmente con ruido impulsivo, no es en absoluto robusto ni fiable. Para solventar estos últimos problemas, se han propuesto diversas técnicas alternativas, principalmente basadas en el uso de bancos de filtros distintos del DFT con una configuración de transmultiplexor [Gov99, Mar98, San95, Che02, Sio02, Cru03, Far03b, Mir03, Vio04, Wil04, Lin06, Lin07]. La figura 3 muestra un ejemplo ilustrativo no limitativo de transmultiplexor basado en un banco de filtros de diezmado máximo con estructura en paralelo. El orden de las operaciones, tal y como se muestra en dicha figura, sería el siguiente. En transmisión a) interpolar cada señal subportadora, b) filtrar a través de los filtros de transmisión o de síntesis F_i(z), 0 =q i =q (M - 1), y c) conformar la señal y como la suma de las salidas obtenidas de cada filtro: y = y₀ + y₁ + ... + y_M-1. En recepción: a) filtrar la señal de entrada con los filtros de recepción o de análisis H_i(z), 0 =q i =q (M - 1), y b) diezmar a continuación cada una de las salidas.

Algunos de estos bancos de filtros se pueden realizar de forma más eficiente, de manera que se vea reducida considerablemente la carga computacional. En la figura 4 se muestra un ejemplo de banco de recepción o análisis, implementado mediante algoritmos rápidos [Mal92]. En dicha figura, los bloques D_i describen una implementación en mariposa (para más detalle, ver [Mal92]), y C es un bloque que lleva a cabo una transformada discreta del coseno tipo IV.

En las figuras 5 y 6 se muestran otros ejemplos de transmisor y receptor [Vio04]. En dichas figuras, G_ell(-z²), 0 =q ell =q (2M - 1), son los filtros polifase cuyos coeficientes se obtienen a partir de un filtro protipo, y c es un bloque que lleva a cabo una transformada discreta del coseno tipo IV. Además, en determinadas ocasiones, los pares G_i(z) y G_i+M(z) se pueden implementar con una estructura en celosía conjunta. En [Mal92, Koi92, Vai93, Fli94, Lin95, Str96, Mit01, Din02, Far03a, Far03b, Vio04, Cru04, Lin06] se pueden encontrar un número considerable de bancos de filtros implementados mediante algoritmos rápidos. En la figura 7 se muestra un diagrama de bloques general del transmisor implementado mediante algoritmos rápidos, obtenido a partir de un banco de filtros de análisis, y en la figura 8 el correspondiente al receptor, obtenido a partir de un banco de filtros de síntesis. Ambos diagramas de bloques son genéricos, y sirven para describir un gran número de receptores y transmisores...

1. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora, que comprende la generación de las secuencias que se transmiten a través de una serie de subsistemas y/o un canal o medio de transmisión, estando este canal determinado por el enlace desde un equipo transmisor hasta el receptor; se caracteriza porque comprende:

En el Transmisor

En el Receptor

2. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora, que comprende la generación de las secuencias que se transmiten a través de una serie de subsistemas y/o un canal o medio de transmisión, estando este canal determinado por el enlace desde un equipo transmisor hasta el receptor; se caracteriza porque comprende:

En el Transmisor

En el Receptor

3. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la modulación trigonométrica es una de las siguientes:

a) Modulación coseno

donde 0 =q i =q (M - 1) siendo M el número de portadoras, f_i[n] son los filtros que conforman el banco de síntesis o de transmisión (F_i(z)), h_i[n] son los filtros que conforman el banco de análisis o de recepción (H_i(z)), p₁[n] y p₂[n] son los filtros prototipo, k₁ y k₂ son constantes, ?_i, son parámetros constantes que controlan la modulación coseno.

b) Modulación seno

donde 0 =q i =q (M - 1) siendo M el número de portadoras, f_i[n] son los filtros que conforman el banco de síntesis o de transmisión (F_i(z)), h_i[n] son los filtros que conforman el banco de análisis o de recepción (H_i(z)), p₁[n] y p₂[n] son los filtros prototipo, k₁ y k₂ son constantes, ?_i son parámetros constantes que controlan la modulación coseno.

c) Modulación mixta para un sistema de 2M subportadoras

donde f_i[n] y f'_i[n] son los filtros que conforman el banco de síntesis o de transmisión (F_i(z)), h_i[n] y h'_i[n] son los filtros que conforman el banco de análisis o de recepción (H_i(z)), p₁[n] es el filtro prototipo, k₁ y k₂ son constantes.

4. Procedimiento de transmisión y recepción según cualquiera de las reivindicaciones anteriores de una señal multiportadora donde el filtrado en transmisión y recepción es un filtrado en mariposa, en celosía o un filtrado polifase, donde el bloque de filtrado polifase consiste en una serie de filtros en paralelo, independientes o agrupados por parejas, cuyos coeficientes se obtienen a partir de un filtro prototipo.

5. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque emplea junto al convertidor paralelo serie del transmisor un bloque de adición de un prefijo o sufijo, y junto al convertidor serie/paralelo de recepción, un bloque de selección de las muestras correspondientes y válidas de la transmisión, descartando las no válidas.

6. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque además de los bloques incluidos en dichas reivindaciones, emplea junto al convertidor paralelo/serie del transmisor un bloque de adición de ceros, y tras el convertidor serie/paralelo de recepción, un bloque de solapamiento y suma que permite diagonalizar el canal matricial discreto equivalente utilizando matrices DFTs.

7. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque además de los bloques incluidos en dichas reivindaciones, emplea una etapa de aplicación de un retardo de duración predeterminada

donde T es un número entero, y 0 =q n₀ < M siendo M el número de portadoras, a los símbolos modulados entregados por el transmisor.

8.- Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque la matriz de componentes polifase, de estructuras en celosía o de estructuras en mariposa del receptor se encuentra multiplicada por un retardo, de la forma

donde T es un número entero, y 0 =q n₀ < M siendo M el número de portadoras, en la que la implementación de dicho retardo se lleva a cabo antes del receptor o incluido en una de sus etapas.

9. Procedimiento de transmisión y recepción de una señal multiportadora según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la señal multiportadora es una señal multiportadora multiplexada por división en frecuencia asociada a portadoras moduladas de forma síncrona y/o asíncrona.

10. Sistema de transmisión y recepción de una señal multiportadora caracterizado por incluir los medios necesarios para realizar las etapas del procedimiento descrito en cualquiera de las reivindicaciones 1-9.