ES2278459T3 - Reduccion del factor de cresta en una señal ofdm. - Google Patents
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Abstract
Método de funcionamiento de un sistema de comunicación por radio que comprende la modulación de datos en una pluralidad de portadoras ortogonales mediante modulación de fase diferencial, la combinación de las señales moduladas en un flujo de datos en serie, el recorte de la señal combinada para limitar el factor de cresta y la transmisión, entre al menos dos estaciones, de la señal recortada como un paquete de datos que comprende al menos un símbolo, caracterizado por la aleatorización, antes de la transmisión de un paquete, en al menos uno de las portadoras, de la fase (302, 312) inicial al comienzo de cada símbolo, que es la fase de referencia para la modulación de fase diferencial.
Description
Reducción del factor de cresta en una señal
OFDM.
La presente invención se refiere a un sistema de
comunicación por radio que emplea técnicas de transmisión de
señales ortogonales para la transmisión de paquetes de datos. La
presente invención también se refiere a un transmisor para utilizar
en un sistema de este tipo, a un método de funcionamiento de un
sistema de este tipo y a una señal transmitida en dicho sistema.
Aunque la presente memoria descriptiva describe un sistema que
emplea multiplexación en el dominio de frecuencia ortogonal (OFDM,
"Orthogonal Frequency Domain Multiplexing"), hay que entender
que tales técnicas son igualmente aplicables a otros sistemas que
transmiten señales ortogonales, por ejemplo, acceso múltiple por
división de código
(CDMA, "Code Division Multiple Access").
(CDMA, "Code Division Multiple Access").
La OFDM, también conocida como modulación
multiportadora (MCM, "MultiCarrier Modulation") o modulación
multitono discreta (DMT, "Discrete MultiTone modulation"), es
una técnica mediante la cual se transmiten datos a gran velocidad
modulando varias portadoras de baja velocidad de transferencia de
bits en paralelo, en vez de una portadora de gran velocidad de
transferencia de bits. La OFDM es espectralmente eficaz, y se ha
mostrado efectiva para conexiones de radio digital de alto
rendimiento. Las áreas de aplicación incluyen: modo de transferencia
asíncrono inalámbrico (WATM, "Wireless Asynchronous Transfer
Mode"), para conexiones de radio de corta distancia y alta
velocidad entre sistemas informáticos; radiodifusión de audio
digital (DAB, "Digital Audio Broadcasting"), para señales de
audio de alta calidad; sistema de distribución de video en
microondas (MVDS, "Microwave Video Distribution System"); y
futuros sistemas de radio móviles tales como el sistema de
comunicaciones móviles universal (UMTS, "Universal
Telecommunication System").
Una característica importante de una señal de
radiofrecuencia (RF) para transmisión es el factor de cresta,
definido como la relación entre el valor máximo de una forma de onda
CA y su valor cuadrático medio (RMS). En un sistema OFDM, el factor
de cresta puede ser alto ya que es posible que las señales en cada
una de las portadoras estén en fase (generando un valor máximo que
es el producto del número de portadoras y la amplitud de la señal
en cada portadora), sin embargo, en término medio, las fases estarán
distribuidas de forma aleatoria (dando lugar a un valor medio mucho
más pequeño). Por ejemplo, en un sistema OFDM de 16 portadoras, la
potencia de pico puede ser 16 veces la potencia media de
transmisión.
Si han de transmitirse señales de este tipo sin
distorsión, se necesita un transmisor de elevadas especificaciones
con buena linealidad. Por lo general un transmisor de este tipo
tiene un rendimiento de conversión de potencia CC a RF pobre, lo
que puede resultar en la generación de cantidades excesivas de calor
y lo que también tiene un efecto negativo en la vida de la batería
si el transmisor se incorpora en equipos portátiles. Por tanto, se
han investigado varios planteamientos para reducir el factor de
cresta.
Una técnica es evitar que la combinación de
ciertos estados de modulación de fase se aplique a los portadores.
Sin embargo, esto tiene la desventaja de que es necesario transmitir
más símbolos para una cantidad dada de datos ya que cada símbolo
tiene menos estados disponibles. Tales técnicas son bien conocidas,
siendo un ejemplo un régimen de relación 3/4 para un sistema OFDM
de cuatro portadoras, que reduce el factor de cresta de 4 a 1,9. El
documento US-A-5.636.247 describe
una técnica de este tipo más sofisticada. Cuando se aplica a un
sistema de 16 portadoras, se puede obtener una reducción del factor
de cresta de 3 dB utilizando un régimen de relación 13/16.
Un método alternativo se describe en el
documento US-A-5.610.908, en el que
se modulan varias portadoras próximas entre sí (utilizando en este
caso QPSK) y después se transforman al dominio temporal mediante una
transformada rápida de Fourier inversa (IFFT), como es habitual.
Las señales se limitan entonces y se transforman de nuevo al
dominio de frecuencia mediante una transformada rápida de Fourier
(FFT) en la que los ajustes de fase y amplitud pueden hacerse en
algunas de las señales, y después transformarse de nuevo al dominio
temporal con una IFFT. A partir de aquí la transmisión procede como
normalmente. Se da un ejemplo de un sistema OFDM de 2048 portadoras
para el que una simulación de 20 señales aleatorias, que
inicialmente tenían un factor de cresta de 9,38 dB, demostró que el
factor de cresta puede reducirse a 3.4 dB.
Puede verse que, aunque las técnicas resumidas
anteriormente pueden reducir el factor de cresta, no pueden
reducirlo a la unidad (lo que corresponde a una modulación de
envolvente constante). Una técnica alternativa conocida para
reducir el factor de cresta es el recorte, en el que se recorta la
amplitud de la señal de banda base a un nivel constante,
eliminando, por lo tanto, picos de señales y reduciendo el factor de
cresta. El recorte es una técnica sencilla de implementar, aunque
debido a que es un proceso no lineal, su uso requiere algo de
atención.
El efecto del recorte en un sistema OFDM de 128
portadoras se trata en el artículo "Effects of Clipping and
Filtering on the Performance of OFDM", de X. Li y L.J Cimini,
publicado en Proceedings of the 47th IEE Vehicular Technology
Conference, Mayo de 1997, págs. 1634-1638. En
este artículo, se muestra que si se fija un nivel de recorte
aproximadamente 1,5 veces el nivel de potencia media, se da una
reducción sustancial en el factor de cresta sin un aumento
sustancial en la tasa de errores de bit.
Un problema de la utilización del recorte, que
no se aborda en la técnica anterior, es que ciertos símbolos de
OFDM se ven afectados desfavorablemente, mientras que otros no se
ven afectados. Si varios símbolos afectados desfavorablemente se
transmiten en un paquete, es probable que el receptor no logre
demodular el paquete y solicite su retransmisión. El emisor
repetirá el paquete y encontrará el mismo problema. Por tanto, es
muy improbable que determinados paquetes se reciban sin error.
Un objeto de la presente invención es paliar el
problema de que ciertos paquetes sean muy difíciles de
transmitir.
Según un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un método de funcionamiento de un sistema
de comunicación por radio que comprende la modulación de datos en
una pluralidad de portadoras ortogonales mediante modulación de
fase diferencial, la combinación de las señales moduladas en un
flujo de datos en serie, el recorte de la señal combinada para
limitar el factor de cresta y la transmisión, entre al menos dos
estaciones, de la señal recortada como un paquete de datos que
comprende al menos un símbolo, caracterizado por la aleatorización,
antes de la transmisión de un paquete, en al menos una de las
portadoras, de la fase inicial al comienzo de cada símbolo, que es
la fase de referencia para la modulación de fase diferencial.
Según un segundo aspecto de la presente
invención se proporciona un transmisor para transmitir señales
ortogonales, que comprende medios de modulación de fase diferencial
para modular datos en una pluralidad de portadoras ortogonales,
medios para combinar las señales moduladas en un flujo de datos en
serie, medios de recorte para limitar el factor de cresta de la
señal combinada y medios para transmitir la señal recortada como un
paquete de datos que comprende al menos un símbolo, caracterizado
porque se proporcionan medios para aleatorizar, antes de la
transmisión de un paquete, en al menos una de las portadoras, la
fase inicial al comienzo del paquete de datos, que es la fase de
referencia para la modulación de fase diferencial.
Según un tercer aspecto de la presente invención
se proporciona un sistema de comunicación por radio que comprende
una pluralidad de transmisores fabricados según la presente
invención.
La presente invención se basa en el
reconocimiento, no presente en la técnica anterior, de que al variar
los estados de fase iniciales de las portadoras que comprenden una
señal OFDM, la repetición de un símbolo dará como resultado un
factor de cresta diferente.
Se describirán ahora realizaciones de la
presente invención, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama de bloques
esquemático de un sistema según la presente invención;
la figura 2 es un diagrama de bloques de parte
de una realización de un transmisor fabricado según la presente
invención; y
la figura 3 es un diagrama de una sucesión de
estados de fase de dos portadoras en un sistema OFDM según la
presente invención.
El sistema mostrado en la figura 1 comprende dos
estaciones 102, 104, conteniendo cada una un transceptor, con una
conexión de comunicación por radio bidireccional entre ellos. Las
estaciones 102, 104 pueden ser de muchos tipos diferentes
dependiendo del área de aplicación particular. Por ejemplo, en un
sistema WATM, la primera estación 102 podría ser un ordenador
personal y la segunda estación 104 una impresora. Alternativamente,
en un sistema UMTS la primera estación 102 podría ser un teléfono
móvil y la segunda estación 104 una estación base celular.
La parte de un transmisor que se muestra en la
figura 2 es la relacionada con la codificación de un flujo 202 de
bits de entrada y su modulación para la transmisión. Los parámetros
operacionales de todos los bloques mostrados se controlan mediante
un controlador (no mostrado). El flujo 202 de bits comprende datos
que van a transmitirse, pasados desde una capa de control de acceso
medio (MAC). Los datos se pasan primero a un bloque 204 de
codificación (ENC), que genera el flujo de símbolos requerido en una
forma apropiada para el régimen de modulación utilizado para la
transmisión, por ejemplo, símbolos de dos bits si va a utilizarse la
modulación por desplazamiento de fase cuadrivalente diferencial
(DQPSK, "Differential Quadrature Phase Shift Keying").
Un dispositivo 206 de entrelazado (INT) toma
este flujo de símbolos de entrada y entrega cada símbolo a una de
sus respectivas líneas de salida paralelas. Cada línea de salida
corresponde a una portadora OFDM para transmisión, por lo que hay
el mismo número de líneas de salida desde el dispositivo 206 de
entrelazado que portadoras, ocho en la figura.
Los símbolos en cada una de las líneas de datos
de salida del dispositivo 206 de entrelazado se modulan entonces
por un modulador 208 MOD utilizando el régimen de modulación
requerido, por ejemplo DQPSK. Los datos modulados se transforman
entonces mediante una transformada de Fourier discreta inversa por
medio de un bloque 210 IDFT (o de forma equivalente se transforman
mediante una transformada rápida de Fourier inversa), cuyo bloque
también recombina los datos de salida en un flujo en serie.
Este flujo de datos en serie es una
representación digital de la forma de onda que va a transmitirse,
incluyendo cualquier pico de amplitud, y se pasa después a un
bloque 212 de recorte (CLP) que limita la amplitud de la señal al
nivel máximo requerido. Una banda de seguridad entre símbolos OFDM
se añade mediante un bloque 214 de expansión (EXT), para reducir
problemas de interferencia entre símbolos, antes de que los datos
pasen a un convertidor 216 de digital a analógico (DAC). La señal
de salida pasa entonces a unos medios 218 de transmisión por radio,
que la traducen a la frecuencia requerida y la amplifican para la
transmisión.
La figura 3 muestra una sucesión de los estados
de fase de dos de las líneas de datos de salida del modulador 208,
modulador que utiliza DQPSK codificado diferencialmente con el
tiempo. Hay cuatro valores posibles para cada estado de fase,
codificándose así símbolos de dos bits. El primer estado 302, 312 de
fase en cada portadora en cada símbolo OFDM de salida define la
fase inicial de referencia para esa portadora y símbolo.
Por tanto, considerando la primera portadora, la
fase del segundo estado 304 con respecto al primer estado 302
codifica el valor del primer símbolo de dos bits, del mismo modo, la
fase del tercer estado 306 con respecto al segundo estado 304
proporciona el valor del segundo símbolo, y la fase del cuarto
estado 308 con respecto al tercer estado 306 codifica el tercer
símbolo. Los símbolos en la segunda portadora se codifican del mismo
modo, utilizándose diferencias de fase entre los distintos estados
312, 314, 316, 318.
En los moduladores de la técnica anterior, se da
al estado 302, 312 de fase inicial de cada portadora un valor
predeterminado al comienzo de cada símbolo OFDM. Esto tiene el
efecto de que un símbolo OFDM dado siempre se transmitirá con la
misma combinación de estados de fase. Sin embargo, dicho régimen
tiene una desventaja importante. Si el recorte afecta
desfavorablemente a un símbolo, lo que significa que el recorte ha
reducido su relación señal/ruido de forma significativa, es
probable que se reciba de manera incorrecta. Si uno o mas símbolos
afectados desfavorablemente se transmiten en un paquete hasta un
receptor, es probable que el receptor no logre demodular el paquete
correctamente. Como resultado de este error, el receptor generará un
mensaje de petición de repetición automática (ARQ) y el paquete se
repetirá. Sin embargo, se generarán los mismos símbolos OFDM, con
la misma relación señal/ruido baja como resultado del recorte. Por
tanto, es probable que el paquete se reciba de manera errónea otra
vez.
Un método según la invención salva este problema
mediante la aleatorización de las fases iniciales de las portadoras
al comienzo de cada símbolo OFDM. Esto puede hacerse de varias
maneras conocidas por los expertos en la técnica. Un ejemplo sería
la utilización del estado del último símbolo transmitido en una
portadora en un paquete como la fase de referencia para el primer
símbolo en la respectiva portadora en el siguiente paquete.
El efecto de aleatorizar las fases iniciales es
que, cuando se retransmite un paquete, se utiliza una combinación
diferente de estados de fase. Es probable que cada símbolo OFDM
problemático tenga, por tanto, un factor de cresta diferente y una
relación señal/ruido mejorada (ya que el nivel de recorte se
selecciona de tal manera que sólo unas pocas combinaciones de
estados de fase tienen una relación señal/ruido lo suficientemente
pobre para generar dificultades de recepción). Por tanto, es más
probable que el paquete retransmitido se recibida correctamente. No
es necesario aleatorizar todas las portadoras iniciales, pero cuanto
más se aleatorizan, más grande es la probabilidad de que la
transmisión sea un éxito.
Aunque la presente invención se ha descrito en
relación a la modulación DQPSK, se apreciará que puede aplicarse a
una amplia variedad de otros regimenes de modulación. Todo lo que se
necesita es que el régimen de modulación seleccionado tenga la
propiedad de que una fase de referencia para cada portadora sea el
estado de una portadora al comienzo de cada símbolo OFDM.
También se apreciará que la presente invención
puede aplicarse a otras técnicas de modulación ortogonal distintas
de la OFDM, como por ejemplo
CDMA.
CDMA.
Leyendo la presente descripción, otras
modificaciones serán obvias para los expertos en la técnica. Dichas
modificaciones pueden implicar otras características que ya se
conocen en sistemas de comunicación por radio y componentes de los
mismos, y que pueden utilizarse en lugar de o además de las
características ya descritas en el presente documento.
En la presente memoria descriptiva y en las
reivindicaciones, la palabra "uno" o "una" delante de un
elemento no excluye la presencia de una pluralidad de dichos
elementos. Además, la palabra "comprender" no excluye la
presencia de otros elementos o etapas aparte de las enumeradas.
La presente invención puede aplicarse a una
amplia variedad de sistemas que requieren la transmisión de señales
ortogonales, incluyendo WATM, DAB, MVDS y UMTS.
Claims (7)
1. Método de funcionamiento de un sistema de
comunicación por radio que comprende la modulación de datos en una
pluralidad de portadoras ortogonales mediante modulación de fase
diferencial, la combinación de las señales moduladas en un flujo de
datos en serie, el recorte de la señal combinada para limitar el
factor de cresta y la transmisión, entre al menos dos estaciones,
de la señal recortada como un paquete de datos que comprende al
menos un símbolo, caracterizado por la aleatorización, antes
de la transmisión de un paquete, en al menos uno de las portadoras,
de la fase (302, 312) inicial al comienzo de cada símbolo, que es la
fase de referencia para la modulación de fase diferencial.
2. Método según la reivindicación 1,
caracterizado por utilizar el estado de fase del último
símbolo transmitido en al menos una de las portadoras en un paquete
de datos como la fase de referencia para el primer símbolo en la
portadora respectiva en el paquete siguiente.
3. Método según la reivindicación 1,
caracterizado por llevar a cabo la aleatorización antes de
retransmitir el mismo paquete de datos.
4. Transmisor para transmitir señales
ortogonales, que comprende medios (208) de modulación de fase
diferencial para modular datos en una pluralidad de portadoras
ortogonales, medios (210) para combinar las señales moduladas en un
flujo de datos en serie, medios (212) de recorte para limitar el
factor de cresta de la señal combinada y medios (218) de
transmisión para transmitir la señal recortada como un paquete de
datos que comprende al menos un símbolo, caracterizado
porque se proporcionan medios (208) para aleatorizar, antes de la
transmisión de un paquete, en al menos una de las portadoras, la
fase inicial al comienzo de cada símbolo, que es la fase de
referencia para la modulación de fase diferencial.
5. Transmisor según la reivindicación 4,
caracterizado porque se proporcionan medios (208) para
utilizar el estado de fase del último símbolo transmitido, en al
menos una de las portadoras en un paquete de datos, como la fase de
referencia para el primer símbolo de la portadora respectiva en el
siguiente paquete.
6. Transmisor según la reivindicación 4,
caracterizado porque se proporcionan medios (208) para llevar
a cabo la aleatorización antes de retransmitir el mismo paquete de
datos.
7. Sistema de comunicación por radio que
comprende una pluralidad de transmisores según las reivindicaciones
4, 5 ó 6.
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