ES2242263T3 - Sistema digital de radiocomunicaciones con recepcion en diversidad. - Google Patents

Abstract

SISTEMA DE COMUNICACION DE RADIO DIGITAL CON TRANSMISOR MOVIL (2) QUE TRANSMITE DATOS DIGITALES PROTEGIDOS CONTRA ERROR A TRAVES DE MULTIPLES PORTADORAS DE RADIO HACIA MULTIPLES ANTENAS RECEPTORAS (4). LAS ANTENAS RECEPTORAS ESTAN SITUADAS ALREDEDOR DE UNA ZONA EN DONDE SE VA A UTILIZAR EL TRANSMISOR. UNOS MEDIOS DE ADICION SE ACOPLAN A LAS ANTENAS RECEPTORAS Y LAS SEÑALES RECIBIDAS EN ELLAS SE COMBINAN PARA PRODUCIR UNA SEÑAL DE SALIDA. EL PULSO DE SEÑAL DE CADA ANTENA RECEPTORA A LOS MEDIOS DE ADICION INCLUYE RETARDOS (12, 14) PARA REDUCIR EL EFECTO DE INTERFERENCIA ENTRE SEÑALES RECIBIDAS EN UNA O MAS ANTENAS RECEPTORAS. UN RECEPTOR DE MULTIPORTADORA (10) SE ACOPLA A LOS MEDIOS DE ADICION PARA RECIBIR LA SEÑAL DE SALIDA, E INCLUYE UN DESCODIFICADOR DE PROTECCION DE ERROR PARA DESCODIFICAR LOS DATOS DIGITALES ORIGINALES.

Description

Sistema digital de radiocomunicaciones con recepción en diversidad.

La presente invención se refiere a un sistema digital de radiocomunicaciones de múltiples portadoras que usa la diversidad en la recepción y, particularmente, a un sistema del tipo mencionado para ser usado con una cámara digital de radiocomunicaciones.

Las cámaras analógicas de radiocomunicaciones son bien conocidas. Las hay de varios tipos. Un ejemplo es un sistema de recepción en diversidad en el que una única antena transmisora se dispone en una cámara y una pluralidad de antenas receptoras se disponen por el área en el que funciona la cámara. Cada antena receptora monitoriza repetidamente la intensidad y la calidad de la señal recibida desde la cámara de radiocomunicaciones y, dependiendo de esta información, selecciona qué antena receptora se debe utilizar para la subsiguiente recepción de señales provenientes de la cámara.

En nuestra patente británica n.º GB-B-2196211 se propuso otro tipo de sistema. En el mismo, se proporciona una pluralidad de antenas direccionales en la cámara de radiocomunicaciones y se proporciona una única antena receptora. Durante los intervalos de supresión de campo de una señal de vídeo, cada una de las antenas de la cámara transmite sucesivamente una señal conocida. En la antena receptora, se proporciona una circuitería para determinar qué antena transmisora proporcionó la mejor señal en términos de intensidad y calidad y se envía de vuelta una señal de selección a través de un enlace VHF hacia la cámara de radiocomunicaciones que a continuación selecciona la antena adecuada para la transmisión del siguiente campo de datos de vídeo.

El propósito de desarrollar una cámara digital de radiocomunicaciones es proporcionar un sistema fiable que sea compatible con la producción de televisión digital. No obstante, la simple sustitución de la modulación analógica por la digital no proporciona necesariamente el grado requerido de fiabilidad. Es preferible usar un sistema con una simple antena omnidireccional en una cámara combinada con una serie de antenas receptoras situadas por el área de interés.

Los sistemas digitales convencionales con diversidad se basan en receptores complejos en cada antena para procesar la señal con vistas a ayudar a decidir qué antena presenta la mejor recepción. Estos sistemas tienden a ser prohibitivamente caros.

El artículo "OFDM with diversity and coding for advanced cellular internet services" de L.J. Cimini y N.R. Sollenberger propone un receptor de diversidad para OFDM que usa también parte de los receptores en cada antena antes de sumar las señales provenientes de estas antenas.

Las formas de realización preferidas de la presente invención pretenden proporcionar un sistema para ser usado con receptores sencillos con vistas a minimizar los costes y a simplificar el uso operativo. En particular, una de las formas de realización preferidas proporciona un sistema de recepción con diversidad que usa una suma de múltiples antenas para proporcionar una señal.

La invención se define en sus diversos aspectos en las reivindicaciones adjuntas a las cuales se debería hacer referencia a continuación.

A continuación se describirá detalladamente, a título de ejemplo, una forma de realización preferida de la invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

la Figura 1 es un diagrama de bloques de una cámara de radiocomunicaciones en un sistema de recepción con diversidad con suma de señales;

la Figura 2 es un gráfico de la señal COFDM generada en la cámara móvil de la Figura 1;

la Figura 3 es un gráfico que muestra la salida sumada del sumador de la Figura 1 para un retardo pequeño entre las señales recibidas en las dos antenas;

la Figura 4 es equivalente a la Figura 3 aunque es el resultado de incluir un retardo mayor entre las señales en las dos antenas;

la Figura 5 es un diagrama de bloques de una forma de realización de la invención;

la Figura 6 es un diagrama de bloques de una segunda forma de realización de la invención; y

la Figura 7 muestra un sistema en el que se requiere una tercera antena para evitar el desvanecimiento plano de la señal.

Para la Radiodifusión de Audio Digital (DAB) y la Televisión Terrestre Digital se ha desarrollado un sistema denominado Multiplexado por División Ortogonal de Frecuencia Codificada (COFDM). Los bits de cada muestra digital se distribuyen sobre una serie de portadoras separadas en una serie de intervalos de tiempo diferentes. Se obtiene la Transformada Rápida de Fourier (FFT) de las portadoras en cada intervalo de tiempo. Cada FFT comprende lo que se conoce como símbolo y una pluralidad de estos se combinan en una trama COFDM. A continuación se transmiten las tramas.

La distribución de bits de datos en frecuencia y en tiempo proporciona un sistema que resulta muy resistente a los errores y que puede hacer frente a un gran nivel a la distorsión por trayectos múltiples.

Habitualmente, dicho sistema se usa como una red de una única frecuencia con una pluralidad de transmisores que emiten tramas de datos sincronizadas. Cualquier retardo de la propagación por trayectos múltiples en dicho sistema tenderá a ser largo y, como consecuencia, normalmente cualquier muesca de desvanecimiento en la señal recibida será estrecha en relación con el ancho de banda ocupado por el conjunto completo de portadoras. De este modo, únicamente se desvanecen algunas de las portadoras y una codificación con corrección de errores puede recuperar fácilmente la información deseada.

Hemos apreciado que el planteamiento de la frecuencia única se puede usar de forma inversa con una cámara digital de radiocomunicaciones. Todo lo necesario sería la combinación de todas las salidas de las antenas receptoras para proporcionar una señal a un demodulador COFDM individual. De este modo, esta disposición alcanzaría el objetivo de disponer de una pluralidad de emplazamientos receptores de bajo coste con un decodificador complejo.

En la aplicación de radiodifusión, los retardos de propagación por trayectos múltiples tenderán a ser largos. Como consecuencia, cualquier muesca de desvanecimiento provocada por retardos de propagación por trayectos múltiples será normalmente estrecha en relación con el ancho de banda de las portadoras COFDM. Así, únicamente se desvanecerán algunas de las portadoras y la codificación con corrección de errores podrá recuperar la información requerida.

Es probable que la cámara de radiocomunicaciones se use en situaciones, por ejemplo, un campo de fútbol, en las que los retardos diferenciales de la señal captada en cada emplazamiento receptor sean muy pequeños. Esta situación provocará que el ancho de cualquier muesca de desvanecimiento sea grande, y en algunas circunstancias, se pueden perder todas las portadoras. Por ejemplo, si la cámara de radiocomunicaciones se moviera a una posición que estuviera casi exactamente entre dos antenas receptoras con tramos de cable de la misma longitud hasta el decodificador receptor, se perderían casi todas las portadoras y no se alimentaría ninguna señal al decodificador receptor.

El tipo de desvanecimiento que se puede producir se ilustra haciendo referencia a las Figuras 1, 2, 3 y 4. La Figura 1 muestra una cámara 2 de radiocomunicaciones que proporciona una señal COFDM a un par de antenas receptoras 4 y 6. Éstas, a su vez, proporcionan las señales recibidas a un sumador 8 que envía una salida sumada a un decodificador COFDM.

El conjunto COFDM original de portadoras generadas en la cámara de radiocomunicaciones se muestra en la Figura 2. Tal como puede apreciarse, todas las portadoras tienen la misma magnitud. Sobre ellas se modulan datos usando un esquema adecuado de modulación, por ejemplo, modulación por desplazamiento de fase en cuadratura. Evidentemente, lo que transmite la cámara es la FFT de todas estas portadoras.

La Figura 3 muestra la distribución de potencia de las portadoras después de una FFT inversa en el decodificador COFDM 10. Esta representación se corresponde con un retardo pequeño entre las dos señales COFDM. Tal como puede verse, se ha generado una muesca grande en el centro del conjunto de portadoras perdiendo de este modo gran parte de los datos.

En la Figura 4, se muestra la misma salida aunque para dos señales con un retardo mucho mayor entre ellas. La muesca generada por la propagación por múltiples trayectos es considerablemente más estrecha que en la Figura 3 y por lo tanto existen datos suficientes como para usar técnicas convencionales de corrección de errores con vistas a regenerar los datos perdidos en la muesca.

Aunque la muesca de interferencia se ha dibujado en el centro del conjunto COFDM en las Figuras 3 y 4, de hecho la misma se puede producir en cualquier punto. Debería observarse que como el perfil de atenuación es periódico, cuando el conjunto presenta un ancho de banda más amplio, se puede producir más de una muesca. Además, la separación de frecuencia entre las muescas se reduce a medida que aumenta el retardo introduciendo de este modo más muescas en el conjunto. La fuerza del COFDM es su capacidad de gestionar muchas muescas al mismo tiempo mientras sigue siendo capaz de recuperar la señal a través del uso de la codificación de canales.

Se apreciará que existe una anchura de muesca máxima \Deltaf que puede ser tolerada antes de que se pierdan muchas portadoras.

La solución al problema de la generación de muescas amplias por parte de cámaras digitales de radiocomunicaciones usadas en entornos limitados es la adición de un retardo estático en cada salida de antena receptora. Es necesario que el valor del retardo sea diferente para cada antena y suficientemente grande como para garantizar que la anchura de muesca máxima nunca superará una fracción especificada del ancho de banda del conjunto COFDM. La fracción exacta dependerá de la técnica de corrección de errores, el número de antenas, y la distribución estadística de las muescas. La Figura 5 muestra un sistema de cámara de radiocomunicaciones que presenta una única cámara y dos receptores con retardos incluidos según una forma de realización de la invención. Tal como puede verse, se han introducido los retardos 12 y 14 en las señales alimentadas desde las antenas 4 y 6 al sumador 8 respectivamente. En la práctica, en una situación tal como esta únicamente es necesario introducir un retardo en una de las señales alimentadas de las antenas. No obstante, la introducción del retardo en cada señal alimentada proporciona un sistema más versátil en el que los retardos se pueden ajustar adecuadamente según el entorno en el que se vaya a usar el sistema.

En una ubicación compleja que requiera muchas antenas, no es necesario proporcionar a cada antena un retardo exclusivo. Esto es debido a que los retardos únicamente deben ser diferentes para cada área cubierta. Los valores de los retardos se pueden volver a usar en áreas diferentes, siempre que la cámara de radiocomunicaciones no pueda transmitir a dos antenas diferentes que tengan el mismo retardo cuando se mueve desde un área a la siguiente. Esto evita el problema de acabar con retardos excesivamente grandes cuando se usa un número elevado de antenas.

En la Figura 6 se ilustra un sistema de este tipo. En el mismo, se proporciona una pluralidad de antenas 20 en un área 22 delimitada por una pared y que tiene dos obstáculos 24. Se muestran tres cámaras de radiocomunicaciones que funcionan en esta área y las mismas están designadas con las referencias A, B y C.

Todas las antenas receptoras 2C están acopladas a un sumador 8 que proporciona señales de salida para tres receptores COFDM 10, uno para cada cámara de radiocomunicaciones.

Las antenas que no pueden ser vistas por la misma cámara de radiocomunicaciones pueden tener el mismo retardo. De este modo, las dos antenas 20 inmediatamente adyacentes al obstáculo 24 alimentan directamente al sumador 8 sin retardo. Los otros retardos 30a, b y c son todos ellos diferentes. No obstante, puede observarse que dos de las antenas 20 alimentan a través de un retardo 30a. Nuevamente las mismas no pueden ser vistas por una cámara de radiocomunicaciones. En segundo lugar, los retardos 30b no pueden ser vistos por una cámara de radiocomunicaciones. Existe un retardo final 30c que conecta la antena final 20 con el sumador 8. Habrá una tendencia a usar los retardos mayores en las antenas más distantes para maximizar el efecto.

A continuación se ilustrará un ejemplo de la técnica. En este ejemplo, se considera que un conjunto COFDM de 1.000 portadoras ortogonales ocupa un ancho de banda de 20 MHz. Este ancho de banda es típico para los canales actuales de radiodifusión externos y soportará casi 100 Mbits por segundo usando una modulación QAM 64 (Modulación de Amplitud en Cuadratura, un nivel superior de la QPSK). Si la protección de errores proporcionada en el COFDM genera una redundancia de 100 por ciento en la señal, en ese caso la velocidad binaria de vídeo podría ser casi 50 Mbits por segundo. Esto podría ser suficiente para transmitir señales codificadas MPEG2 de muy alta calidad, siempre que el intervalo de guarda entre los símbolos COFDM no sea demasiado grande. Se considera que si una portadora en el conjunto tiene un nivel a 6 dB por debajo de la portadora mayor, en ese caso la misma no es recuperable y se requiere una corrección de errores para recuperar los datos.

Las longitudes de retardo requeridas se calculan considerando en primer lugar la potencia combinada, P(f), de dos portadoras interferentes con la misma frecuencia que tienen diferentes trayectos recorridos:

P(f)=1+cos \left(\frac{(2\pi fl}{c}\right)

en la que:

c es la velocidad de la luz

f es la frecuencia

l es la diferencia de la longitud del trayecto en el vacío

A partir de esto, puede observarse que la anchura de una muesca de desvanecimiento, \Deltaf, en un conjunto COFDM en el que las portadoras son más débiles que -6dB con respecto a la potencia máxima es:

\Delta f = \frac{100}{l} MHz

Si se usa una codificación de velocidad mitad, en ese caso en la muesca puede haber la mitad de las portadoras (de forma aproximada). Si el conjunto COFDM tiene un anchura de 20 MHz en ese caso \Deltaf será 10 MHz lo cual, a partir de la ecuación anterior, da como resultado l = 10 m.

Un retardo de 10 m es equivalente a un periodo de tiempo de 33 ns el cual es únicamente una pequeña fracción de un periodo de símbolo de 50 \mus. En la práctica, se requiere un retardo adicional equivalente a la separación física entre las antenas para garantizar que las señales de la cámara de radiocomunicaciones se puedan seguir sumando con el retardo diferencial permitido mínimo en cualquier posición de la cámara. Si un área, de por ejemplo, 50 m por 50 m, está cubierta por cuatro antenas posicionadas por los bordes, por ejemplo, una en cada esquina del cuadrado, en ese caso la longitud de la línea de retardo diferencial debería ser aproximadamente 60 m para mantener el retardo permitido mínimo. Esto es un retardo máximo de 180 m para las cuatro antenas. Estas distancias son longitudes para transmisiones en el vacío y evidentemente es mejor usar el tiempo de retardo.

El retardo requerido es corto en comparación con la sincronización del campo de vídeo, la cual seguiría siendo corregida por un sincronizador de memoria de trama, tal como es habitual con las cámaras de radiocomunicaciones. En la DAB, se introduce deliberadamente un retardo adicional intercalando en el tiempo los datos como contramedida al desvanecimiento. El intercalado en el tiempo también se puede usar en el sistema de cámara de radiocomunicaciones. No obstante, la disposición de recepción con diversidad está pensada para presentar continuamente suficientes portadoras al receptor a través del proceso de suma con retardo.

La longitud de los retardos requeridos es demasiado grande como para ser implementada en forma de retardos por cable ya que las pérdidas serían demasiado elevadas a las frecuencias típicas de microondas de recepción. Se podría preparar una conversión descendente de la señal receptora en la antena para reducir las pérdidas por cables o para su uso con una línea de retardo SAW. Una de las alternativas consiste en convertir en sentido ascendente la señal a la banda de infrarrojos y usar una fibra óptica tanto como elemento de retardo así como cable de interconexión para el punto de suma.

El número de antenas que cubren un área y su ubicación depende de la cantidad de distorsión por múltiples trayectos presente. Son necesarias las antenas suficientes para evitar el problema de que todas ellas reciban una señal alterada por un trayecto múltiple de retardo corto. La Figura 7 muestra un ejemplo en el que la simetría ha provocado que las antenas 1 y 2 se vean afectadas por un desvanecimiento plano. En un caso como este, es necesaria una tercera antena para recuperar la señal.

Incluso con tres antenas, se podrían encontrar posiciones en las que todas ellas experimentaran un desvanecimiento plano. No obstante, la probabilidad se reduce en comparación con un sistema de solamente dos antenas. La distribución espacial depende de la frecuencia de funcionamiento.

La estrategia del control automático de ganancia para las señales recibidas desde cada antena se beneficiaría de alguna forma del detector de umbral para evitar que las antenas no reciban ninguna señal que contribuya con ruido en el punto de suma.

Para deshacer el desvanecimiento plano, es necesario sumar dos o más antenas. Cada antena subsiguiente debe tener un retardo que sea un entero múltiplo del primer retardo, con vistas a evitar los retardos que se anulen entre cualquier par de antenas. De este modo, la primera antena no tiene ningún retardo, la segunda antena un primer retardo mínimo, la tercera dos veces el retardo mínimo, y la cuarta tres veces el retardo mínimo. De este modo, un sistema de cuatro antenas requiere un retardo máximo de 3 \times 200, lo cual da como resultado 600 ns. Este valor está justo por encima del 1 por ciento de la velocidad de símbolos en este ejemplo y tiene un efecto reducido sobre la capacidad de los canales.

Haciendo que el intervalo de guarda sea casi 20 veces mayor, por ejemplo, 10 \mus entre símbolos se proporcionará un periodo de símbolos total de 60 \mus. Esta situación seguiría permitiendo una capacidad de canales de 100 Mbits por segundo al mismo tiempo que aumentaría la separación de antenas permisible a casi 1 km. Esto sería útil para, por ejemplo, operaciones en helicóptero. Existen varias opciones de implementación de los retardos, por ejemplo, con versión descendente, retardo SAW, retardos de fibra óptica, etcétera. Cabe la posibilidad de convertir en sentido descendente cada señal de antena para producir frecuencias intermedias muy ligeramente diferentes, proporcionando de este modo un desplazamiento de fase entre ellas que varíe continuamente y barriendo todos los puntos de anulación por la banda de paso en la señal sumada. Esta situación, en combinación con algún intercalado en el tiempo limitado, puede resultar beneficiosa.

Actualmente, el COFDM está limitado a una velocidad binaria bruta de aproximadamente 50 Mbits por segundo sugiriendo de este modo una velocidad binaria de vídeo del orden de 25 Mbits por segundo. No obstante, no es necesario que el sistema presente una implementación COFDM completa. Se podrían usar otras técnicas de portadoras múltiples o de banda ancha. No obstante, la aplicación de técnicas VLSI en el COFDM puede producir la circuitería compacta requerida, con la posibilidad de que resulte eficaz para obtener la capacidad requerida usando dos o más conjuntos COFDM juntos.

Claims (12)

1. Sistema digital de radiocomunicaciones que comprende un transmisor móvil (2) que transmite datos digitales protegidos contra errores sobre una pluralidad de portadoras de radiocomunicaciones hacia una pluralidad de antenas receptoras (4, 6) para recibir señales provenientes del transmisor (2), estando situadas las antenas receptoras (4, 6) por un área en la que se va a usar el transmisor (2), y unos medios de suma (8) en los que se combinan señales recibidas por las antenas receptoras (4, 6) para proporcionar una señal de salida, y en el que los trayectos de las señales desde cada antena receptora (4, 6) a los medios de suma (8) comprenden unos retardos (12, 14) para reducir el efecto de la interferencia entre señales recibidas en dos o más antenas receptoras (4, 6), y un receptor (10) de múltiples portadoras acoplado a los medios de suma (8) para recibir la señal de salida y que incluye un decodificador de protección contra errores para decodificar los datos digitales originales.

2. Sistema digital de radiocomunicaciones según la reivindicación 1, en el que hay dos o más antenas receptoras (4, 6) y todos los trayectos de la señal, excepto uno, hacia los medios de suma (8) comprenden unos medios de retardo (12, 14) de tal manera que las señales provenientes de las antenas receptoras (4, 6) alcanzan los medios de suma en momentos diferentes.

3. Sistema digital de radiocomunicaciones según la reivindicación 1 ó 2 que comprende por lo menos tres antenas receptoras.

4. Sistema digital de radiocomunicaciones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos dos de las antenas receptoras no pueden recibir simultáneamente señales provenientes de los transmisores y los trayectos de la señal desde estas antenas receptoras a los medios de suma están retardados en magnitudes similares.

5. Sistema digital de radiocomunicaciones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el transmisor está adaptado a una señal COFDM.

6. Sistema digital de radiocomunicaciones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una pluralidad de transmisores que transmiten, cada uno de ellos, señales en diferentes partes de la banda de frecuencias.

7. Sistema digital de radiocomunicaciones según la reivindicación 1, en el que el retardo añadido a la señal recibida en cada antena presenta un valor mínimo equivalente a la diferencia de trayectos máxima posible entre cualesquiera de las dos antenas receptoras más un retardo adicional.

8. Sistema digital de radiocomunicaciones según la reivindicación 5, en el que el valor del retardo máximo usado con una de las antenas es menor o igual al intervalo de guarda de la señal COFDM que se está usando.

9. Sistema digital de radiocomunicaciones según la reivindicación 7, en el que con una de las antenas no se usa ningún retardo adicional.

10. Sistema digital de radiocomunicaciones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que unos medios de conexión entre las antenas receptoras y el punto de suma están adaptados también para realizar la función de retardo.

11. Sistema digital de radiocomunicaciones según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se proporcionan unos medios adicionales, de manera que la señal recibida en cada antena receptora es convertida a una radiofrecuencia diferente o a una frecuencia intermedia o a una frecuencia óptica para implementar el retardo usando los medios de conexión adecuados de manera que los medios de conexión sean más compactos o la atenuación de la señal es menor.

12. Método de funcionamiento de un sistema digital de radiocomunicaciones que comprende un transmisor móvil (2) para transmitir datos digitales protegidos contra errores en una pluralidad de portadoras de radiocomunicaciones y una pluralidad de antenas receptoras (12, 14), comprendiendo el método la etapa de transmisión de señales digitales desde el transmisor (2), recepción de las señales provenientes de las antenas receptoras (12, 14), suministro de las señales recibidas a unos medios de suma (8), retardo de las señales entre las antenas receptoras (12, 14) y los medios de suma (8) de tal manera que se reducen los efectos de la interferencia entre las señales, obtención de una señal de salida desde los medios de suma (8), recepción de la señal de salida en un receptor y decodificación de la señal de salida para decodificar los datos digitales originales.