ES2220208A1 - Procedimiento de configurabilidad espectral de señales moduladas por multiplexacion ortogonal por division en frecuencia (ofdm) para red electrica. - Google Patents
Procedimiento de configurabilidad espectral de señales moduladas por multiplexacion ortogonal por division en frecuencia (ofdm) para red electrica.Info
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Abstract
Procedimiento de configurabilidad espectral de señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en frecuencia (OFDM) para red eléctrica. Se caracteriza porque manteniendo la frecuencia de muestreo de los conversores digital-analógico del transmisor y analógico-digital del receptor se varía selectiva e independiente, para el camino de transmisión y el de recepción, el ancho de banda, la posición espectral de la señal OFDM, la forma del espectro de la señal OFDM transmitida, el nivel del espectro de la señal OFDM que se transmite, o cualquier combinación de las anteriores; para permitir la configuración del espectro de la señal OFDM en cuanto a ancho de banda, posición en frecuencia y potencia transmitida para adaptarse a las normativas de diferentes países, y a los canales encontrados en los diferentes tramos de la red eléctrica. Todos estos cambios se realizan sin afectar a los componentes analógicos del sistema, es decir, con la misma implementación física.
Description
Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un
procedimiento de configurabilidad espectral de señales moduladas
por multiplexación ortogonal por división en frecuencia (OFDM), que
es aplicable a sistemas de comunicaciones que utilizan la red
eléctrica como medio de transmisión. Con el procedimiento de la
invención se adapta la señal a las características del canal y a
las regulaciones que la ley vigente en los diferentes países
establece para la transmisión de señales por la red eléctrica.
En la mayoría de sistemas de telecomunicación es
ventajoso tener medios para configurar las características
espectrales de la señal, para adaptarse a normativas futuras o en
vigor en diferentes países y a las características del canal.
El procedimiento objeto de la invención está
especialmente diseñado para su utilización con señales moduladas
por multiplexación ortogonal por división en frecuencia (OFDM) que
son conocidas en el estado del arte.
Existen antecedentes en el estado del arte sobre
procedimientos escalables de modulación para señales OFDM como el
descrito en la patente US 6175550 "Orthogonal frequency division
multiplexing system with dynamically scalable operating parameters
and method thereof" en la que se describe un sistema OFDM que
varía el tiempo del símbolo OFDM o equivalentemente el ancho de
banda de la señal y el prefijo cíclico de forma dinámica a partir
de medidas realizadas por el receptor. El problema es que para
variar el tiempo de símbolo se varía la frecuencia de muestreo de
la señal en los conversores, lo cual obliga a variar el diseño de
los componentes analógicos que se sitúan convencionalmente después
del conversor digital-analógico (DAC) de los
transmisores y antes del conversor
analógico-digital (ADC) de los receptores. Esto es
debido a que las posiciones espectrales de la señal y de sus
réplicas dependen de la frecuencia de muestreo, con lo que las
características necesarias de filtrado son diferentes según varía
dicha frecuencia. El procedimiento objeto de la invención soluciona
el problema y consigue que la variación de la duración del símbolo
OFDM se realice sin afectar al diseño de los componentes
analógicos, ya que no se varía la frecuencia de los
conversores.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, que comprende el envío y
recepción de señales mediante modulación OFDM a través de la red
eléctrica, y se caracteriza porque se varía de manera
independiente, para el camino de transmisión y el de recepción, el
ancho de banda y la posición espectral de la señal OFDM, la forma y
nivel del espectro de la señal OFDM que se transmite o alguna
combinación de las anteriores. Todos estos parámetros se cambian
sin variar la frecuencia de muestreo de los conversores
digital-analógico del transmisor y
analógico-digital del receptor. De esta manera el
sistema de comunicaciones se puede adaptar a las regulaciones de
cada país tanto en rango de frecuencias como en potencia inyectada
o radiada, y al tipo de canal.
La variación del ancho de banda de la señal en
transmisión se realiza mediante una interpolación con un factor de
interpolación configurable que es función de la variación requerida,
y en recepción se realiza mediante un diezmado con un factor
igualmente configurable.
Para situar el espectro de la señal en la
posición deseada, el procedimiento realiza una traslación de banda
digital con una frecuencia variable, cuyo valor es función de la
posición deseada.
El procedimiento de la invención prevé el empleo
de una máscara de potencia para seleccionar el nivel de la señal
de cada portadora (portadora a portadora), que permite precompensar
la atenuación del canal, y eliminar portadoras, con lo que se
estrecha el ancho de banda de la señal, y se crean huecos en el
espectro de la señal; logrando la forma y el nivel deseados para el
espectro de la señal, según los requerimientos establecidos en cada
país.
Para atenuar los lóbulos secundarios de la señal
y conseguir huecos espectrales más abruptos se multiplican los
símbolos OFDM en el dominio del tiempo por una ventana en coseno
alzado.
El procedimiento de la invención permite obtener
un sistema de comunicación por la red eléctrica en el que la
comunicación se realiza con espectros independientes de la señal
OFDM para transmisión y recepción en cuanto a ancho de banda,
localización espectral, forma y nivel de la señal.
También es posible que varios sistemas
independientes que utilizan diferentes anchos de banda,
localización espectral, forma y nivel de la señal, se comuniquen
con los equipos que sigan su mismo sistema de comunicaciones de
forma simultanea, compartiendo el canal mediante multiplexación por
división en frecuencia.
Finalmente también es posible variar la duración
del prefijo cíclico que convencionalmente precede a cada símbolo de
la señal OFDM, de manera que el sistema se puede adaptar al tipo de
canal.
Con todo ello se consigue adaptar los sistemas de
comunicación a través de la red eléctrica a las normativas y
regulaciones de los diferentes países y a los diferentes tipos y
topologías del canal, sin variaciones en la implementación física
del sistema.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa un diagrama de bloques de
un transmisor que funciona de acuerdo al procedimiento de la
invención.
Figura 2.- Representa un diagrama de bloques de
un receptor que funciona de acuerdo al procedimiento de la
invención.
Figura 3.- Representa la densidad espectral de
potencia (PSD) de la señal transmitida.
Figura 4.- Representa las ventanas en coseno
alzado utilizadas en dos símbolos consecutivos.
Figura 5.- Representa dos conjuntos de nodos que
utilizan multiplexación por división en frecuencia con diferentes
parámetros en transmisión y recepción.
Seguidamente se realiza una descripción de un
ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración
adoptada en las figuras.
Al diseñar un sistema de comunicaciones a través
de la red eléctrica nos enfrentamos a la falta de normativas,
comunes sobre los rangos de frecuencias que se pueden. utilizar
para cada servicio y la densidad espectral de potencia que se puede
inyectar en la línea. Estas normativas cambian de un país a otro, e
incluso hay casos en los que todavía no están definidas. En otros
casos se precisa diseñar un sistema que se adapte a diferentes
escenarios de uso, como pueden ser acceso, red de área local o red
de transporte o troncal, en los que las necesidades son también
diferentes. Para solucionar todos estos problemas el procedimiento
de la invención propone un método para poder adaptar las
características de la señal de un sistema de transmisión por la red
eléctrica a cada caso concreto, variando únicamente parámetros
digitales de configuración, es decir, con la misma realización
física del sistema.
El presente procedimiento permite variar el ancho
de banda y la posición de la señal OFDM independientemente para
transmisión y recepción, así como la forma y nivel del espectro de
la señal y el prefijo cíclico de la señal OFDM en transmisión.
Para realizar este proceso en transmisión se
utiliza un diagrama de bloques como el mostrado en la Figura 1, en
la que se observa un bloque (18) que aplica la máscara de potencia
sobre la señal, tras lo que aparece un bloque (1) que realiza la
Transformada inversa de Fourier (IDFT) que se utiliza
convencionalmente para realizar la modulación OFDM, y un bloque
(19) que inserta el prefijo cíclico y multiplica la señal por una
ventana de coseno alzado. A la salida de este bloque se realiza una
interpolación (2) de la señal con un factor variable (5) para
variar el ancho de banda. Como el procedimiento de la invención no
afecta a la frecuencia de muestreo (7) del conversor
digital-analógico (DAC)(4), es decir se mantiene
fija, a mayor factor de interpolación (5) mayor número de muestras
por símbolo, con lo que el tiempo de símbolo es mayor y el ancho de
banda ocupado por la señal es menor, y a la inversa, con un factor
de interpolación menor se obtiene mayor ancho de banda. Para
realizar esta, interpolación por un factor variable se puede
disponer de varios interpoladores de factores diferentes que además
se pueden combinar entre sí para obtener otros factores. Una vez
obtenida la señal con el ancho de banda deseado falta situarla en
la posición espectral adecuada. Para ello se realiza una traslación
en banda digital mediante el bloque (3) que tiene una frecuencia de
traslación (6) variable para realizar la traslación requerida.
Posteriormente se convierte la señal digital a señal analógica
mediante un conversor (4) de frecuencia fija (7).
En recepción se realiza el proceso a la inversa.
Se recibe la señal analógica OFDM y se convierte en señal digital
mediante un conversor analógico-digital (ADC) (8)
que, en este ejemplo de realización, muestrea la señal a la misma
frecuencia fija (7) utilizada en el transmisor. Después se realiza
el traslado en banda para pasar la señal recibida en paso banda a
banda base mediante el bloque (3) con una frecuencia de traslación
que en este ejemplo de realización coincide con la frecuencia de
traslación (6) utilizada en transmisión. Posteriormente la señal se
diezma (10) por un factor variable, que en este ejemplo de
realización coincide con el factor de interpolación utilizado en
transmisión, (5), cuyo valor se selecciona de forma que al bloque
(11) que realiza la transformada de Fourier (DFT) le llegue siempre
el mismo número de muestras por cada símbolo.
En todo este proceso no es necesario que los
parámetros de transmisión y recepción en un mismo nodo sean
iguales.
Para configurar el nivel de potencia o densidad
espectral de potencia de la señal a transmitir se utiliza una
máscara de potencia por portadora, que en la figura 1 se aplica en
el bloque (18), esto es, antes de realizar el paso de la señal al
dominio temporal con el bloque (1). Es decir, al generarse el
símbolo OFDM en frecuencia, se multiplica cada portadora por un
valor que determina la potencia de dicha portadora. Como dicha
potencia es relativa a las demás portadoras, ya que serán los
componentes analógicos los que determinen la potencia final de la
señal, dicho valor se sitúa entre cero y uno, donde cero
corresponde a eliminar la portadora y uno corresponde a la máxima
potencia, pudiéndose utilizar dichos valores o cualquier otro valor
intermedio.
En algunos casos puede interesar eliminar ciertas
portadoras para generar huecos en el espectro. Estos huecos pueden
ser necesarios para no interferir con otros servicios de
comunicaciones que utilicen las mismas frecuencias, como por
ejemplo radioaficionados. Además cabe señalar que las frecuencias
de esos huecos varían en los diferentes países. También se pueden
eliminar portadoras en los extremos de las bandas para reducir el
ancho de banda de la señal. Los valores intermedios de la máscara
de potencia se pueden utilizar para compensar efectos del canal.
La mayoría de canales atenúan en mayor medida las frecuencias altas
que las bajas. Se puede utilizar la máscara de potencia para dar
más potencia a las portadoras altas de manera que todas las
portadoras lleguen con una potencia similar al receptor. Un
espectro generado con forma arbitraria se ilustra en la Figura 3,
en el que se observan los distintos niveles de potencia inyectada
para cada frecuencia.
La eliminación de portadoras dentro de la banda
no implica que la potencia inyectada en esas frecuencias sea cero,
ya que existe potencia debida a los lóbulos secundarios de las
portadoras adyacentes. Estos lóbulos secundarios aparecen debido a
las transiciones entre los símbolos de la señal OFDM, y para
reducirlos se puede multiplicar cada símbolo OFDM en el dominio del
tiempo por una ventana en coseno alzado, que en la figura 1 se
realiza por el bloque (19), que inserta el prefijo cíclico de forma
configurable y multiplica la señal a transmitir por una ventana en
coseno alzado. En la Figura 4 se muestra la forma de dicha ventana
para dos símbolos consecutivos. La duración efectiva de un símbolo
es un tiempo (12) y se observa que hay cierto solape (13) entre
símbolos. De esta forma aplicando la ventana de coseno alzado es
necesario eliminar un número menor de portadoras para conseguir una
determinada profundidad de hueco en el espectro.
El procedimiento de la invención permite tener un
nodo que transmita utilizando ciertas frecuencias y reciba por
otras. Obviamente cualquier nodo que se quiera comunicar con éste
tendrá que funcionar con las frecuencias de transmisión y recepción
invertidas respecto al primero. Esto es ventajoso en una topología
de canal tipo árbol como la mostrada en la Figura 5, que es común
en la red eléctrica de baja tensión, en la que todos los nodos que
cuelgan de una rama solo se comunican con la base de esa rama. Si
se requiere dar servicio en dos ramas del árbol, ello se puede
hacer situando un nodo (16) en la base de cada una de las ramas.
Estos nodos transmiten en un rango de frecuencias y reciben en
otro, de forma que no se pueden comunicar entre sí, pero tampoco se
interfieren entre ellos. En cada una de las ramas cuelgan otros
nodos (17) que se comunican con su maestro (16). La transmisión de
un esclavo (17) será recibida por su maestro y será recibida por
el otro maestro al que llegará más atenuada, al estar a mayor
distancia en cuanto a longitud de cable eléctrico. Si esta
atenuación es suficiente, la transmisión del nodo esclavo no
afectará a la recepción del otro maestro, con lo que los dos grupos
de nodos pueden compartir el canal sin interferencias entre
ellos.
Otra posible configuración es que varios nodos se
comuniquen utilizando ciertas frecuencias y otro grupo de nodos
utilice otras frecuencias diferentes, de forma que no hay
comunicación ni interferencia entre los dos grupos de nodos.
En la mayoría de sistemas OFDM es conocida la.
utilización de un prefijo cíclico, que consiste en repetir las
últimas muestras del símbolo al principio del mismo. Esto se hace
para evitar la interferencia entre símbolos (ISI) debida a la
dispersión (delay-spread) del canal, para lo cual
la longitud del prefijo cíclico debe ser mayor que dicha
dispersión. Es evidente que cada canal tendrá su propia dispersión,
por lo que normalmente se utiliza un prefijo cíclico lo
suficientemente grande para la mayoría de los canales. Dependiendo
de la aplicación del sistema, se pueden encontrar diferentes tipos
de canal, como por ejemplo, canales de media o baja tensión,
canales de acceso o dentro de una casa (inhome), que
estadísticamente presentan diferentes dispersiones.
Típicamente, en la red eléctrica, la dispersión
es menor en las líneas de media tensión y en las conexiones dentro
de una misma casa que en los tramos de acceso. Por todo ello es
ventajoso tener un sistema en el que se pueda variar la duración
del prefijo cíclico y así poder aprovechar mejor las
características de cada canal, por ello el procedimiento de la
invención prevé que se pueda realizar esta modificación utilizando,
en este ejemplo de realización de la invención, el bloque (19) para
insertar el prefijo cíclico de forma configurable y multiplicar la
señal por una ventana de coseno alzado.
Claims (8)
1. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, que comprende el envío y
recepción de señales mediante modulación OFDM a través de la red
eléctrica; caracterizado porque manteniendo la frecuencia de
muestreo de los conversores digital-analógico del
transmisor y analógico-digital del receptor se varía
selectiva e independientemente, para el camino de transmisión y
el de recepción, el ancho de banda, la posición espectral de la
señal OFDM, la forma del espectro de la señal OFDM que se
transmite, el nivel del espectro de la señal OFDM que se transmite,
o una combinación de las anteriores; para adaptar el rango en
frecuencia de las señales, la potencia inyectada o la radiada a las
regulaciones de cada país , y al tipo de canal.
2. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 1,
caracterizado porque la variación del ancho de banda de la
señal en transmisión se realiza mediante interpolación, y en
recepción mediante un diezmado; siendo los factores de
interpolación y diezmado configurables y dependientes de la
variación requerida en cada caso.
3. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 1,
caracterizado porque la ubicación del espectro de la señal
en la posición deseada se realiza mediante traslación de banda
digital con frecuencia de traslación variable, cuyo valor depende de
la posición requerida.
4. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 1,
caracterizado porque el nivel de cada portadora de la señal
se ajusta mediante una máscara de potencia, para selectivamente
estrechar el ancho de banda de la señal, crear huecos en el
espectro de la señal, o precompensar la atenuación del canal.
5. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 4,
caracterizado porque se multiplican los símbolos OFDM en el
dominio del tiempo por una ventana en coseno alzado, para atenuar
los lóbulos secundarios de la señal y conseguir huecos espectrales
más abruptos.
6. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 1,
caracterizado porque se emplean espectros independientes de
la señal OFDM para transmisión y recepción en cuanto a ancho de
banda, localización espectral, forma y nivel de la señal.
7. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por. división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 1,
caracterizado porque varios sistemas independientes, que
utilizan diferentes anchos de banda, localización espectral, forma
y nivel de la señal, se comunican con los equipos que sigan su
mismo procedimiento de comunicaciones de forma simultánea,
compartiendo el canal mediante multiplexación por división en
frecuencia.
8. Procedimiento de configurabilidad espectral de
señales moduladas por multiplexación ortogonal por división en
frecuencia (OFDM) para red eléctrica, según reivindicación 1,
caracterizado porque comprende la variación del prefijo
cíclico de la señal OFDM, para adaptar la señal al tipo de
canal.
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