ES2289793T3 - Procedimiento y configuracion de circuito para la transmision de puntos de datos de una constelacion de señales. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la transmisión de datos aplicando un método de modulación de varias etapas que utiliza funciones base ortogonales y una constelación de señales predeterminada para representar una señal a transmitir, en el que se emplea un procedimiento de codificación de fuentes, por ejemplo, el conocido método de Huffman, para adaptar las secuencias de datos a fin de utilizar las funciones base ortogonales, caracterizado porque los puntos de señal de la constelación de señales predeterminada están seleccionados de acuerdo con las energías de señal Ej con probabilidades Pj predeterminadas por el procedimiento, para optimizar la energía media de la señal y/o la velocidad de transferencia de datos, según la fórmula (Ver fórmula)
Description
Procedimiento y configuración de circuito para
la transmisión de puntos de datos de una constelación de
señales.
La invención se refiere a un procedimiento y a
una configuración de circuito para una transmisión de datos
mejorada, según la parte introductoria de las reivindicaciones 1 y
4, respectivamente.
En la técnica de las telecomunicaciones se
conocen, y también se emplean en la práctica, procedimientos de
transmisión que utilizan funciones base ortogonales para representar
la señal a transmitir. Se describen procedimientos de transmisión
de esta clase, por ejemplo, en la obra de R.E. Blahut, "Digital
Transmission of Information", Addison-Wesley,
Reading, 1990, capítulos 2 y 3.
Para ello, una señal de mensaje s(t) en
la banda base se representa como la suma de funciones base
ortogonales. A fin de integrar el mensaje m = (m0, m1, m2 ...
mk-1) en la señal s(t), perteneciendo m_{j}
a un alfabeto adecuadamente elegido, la señal se conforma del modo
siguiente:
S(t) =
m_{0}f_{0}(t) + m_{1}f_{1}(t) + ... +
m_{k-1}f_{k-1}(t)
En consecuencia, se puede representar una señal
de un mensaje como un punto en un espacio de K dimensiones, estando
dicho punto caracterizado por la tupla de valores (m_{0}, m_{1},
..., m_{K-1}). La totalidad de todas las señales
admisibles se denomina constelación de señales. Son especialmente
populares las constelaciones de señales bidimensionales, tales
como, por ejemplo, la constelación de señales 16-QAM
que muestra la figura 1 de la presente solicitud. Esta constelación
de señales 16-QAM se describe, por ejemplo, en la
página 63 de la obra antes mencionada. En todas las constelaciones
de señales que se contemplan en la presente invención, la distancia
mínima entre dos puntos de señal está normalizada al valor 1. Sin
embargo, los procedimientos de transmisión conocidos, destinados al
aprovechamiento eficiente de métodos de modulación de varias etapas,
no permiten el aprovechamiento óptimo de la energía de señal de las
constelaciones de señales. Por una parte, las constelaciones de
señales, que son muy eficientes, pueden tener el inconveniente de
que el número de puntos de señal no sea una potencia de 2 y, por
otra parte, las constelaciones de señales utilizadas con frecuencia,
tales como, por ejemplo, la 16-QAM, todavía no se
utilizan de modo sencillo y eficiente para transmitir a velocidades
pequeñas de transferencia de datos.
En la publicación de F.R. Kschischang, S.
Pasupathy, "Optimal Nonuniform Signaling for Gaussian Channels"
("Señalización óptima no uniforme para canales gaussianos"),
IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 39, No. 3, mayo de
1993, pp. 281-300, se dan a conocer análisis
teóricos fundamentales relativos a una mejor transmisión de datos y
al aprovechamiento eficiente de métodos de modulación de varias
etapas que utilizan funciones ortogonales de base para representar
una señal a transmitir y que emplean, por ejemplo, el conocido
procedimiento de Huffman como método de codificación de fuentes. No
obstante, no se mencionan realizaciones prácticas de dichos
análisis en forma de configuraciones de circuitos o de los
procedimientos correspondientes para operar tales configuraciones
de circuitos.
En el documento
US-A-5 493 586 se describe un
procedimiento para constelaciones de señales con 2^{q} puntos de
señal. Este procedimiento recurre al método para ampliar una señal
en el que se representan 2^{q} bits en 2^{(q+1)} puntos de
señal. Este método, por otra parte, es muy heurístico, es decir, que
igual que en los métodos conocidos, cuando se realiza una
ampliación de la constelación de señales de 2^{q} a 2^{(q+1)},
se intenta obtener más adecuadamente dicha expansión a fin de
reducir la energía de señal. Esto se consigue mediante una
conmutación adecuada entre varias constelaciones de señales, cada
una de las cuales posee un número de puntos de señal igual a una
potencia de 2.
En la patente
EP-A-0 703 689 se describe un
procedimiento con el que se reduce la potencia máxima mediante un
filtrado adecuado. En dicha publicación no se mencionan como
objetivos reducir al mínimo la potencia media, ni aumentar al
máximo la velocidad de transferencia de datos.
En la patente
EP-A-0 674 413 se conmuta,
dependiendo de los errores, entre distintas velocidades de
transferencia de datos, pudiéndose utilizar diferentes
procedimientos.
Según Livingston J N: "Shaping Using
Variable-Size Regions" ("Conformación de la
utilización de regiones de dimensiones variables"), en IEEE
Transactions on Information Theory, Vol. 38, Nº 4, 1 de julio de
1992, páginas 1347-1353, XP000287144 Nueva York,
EUA, los puntos de señal se copian de manera tal, que las
probabilidades de los correspondientes puntos de señal sean
iguales. Aquí también se consideran regiones de superficies
diferentes, adecuadamente configuradas para el procedimiento.
El documento
US-A-5 583 892 da a conocer un
método y un sistema para realizar la transmisión de datos digitales
mediante la codificación de la información de bits en forma de
impulsos, de manera que se representan dos formas distintas de
impulsos, diferenciables en lo que respecta a su variación de
amplitud a lo largo del eje temporal. No se mencionan una reducción
al mínimo de la potencia media, ni un aumento al máximo de la
velocidad de transmisión de datos.
\newpage
Por ello, el objeto de la presente invención es
crear un procedimiento y una configuración de circuito para
conseguir una transmisión de datos mejorada, con un aprovechamiento
más eficiente del método de modulación de varias etapas, que
permitan un aprovechamiento óptimo de la energía de señal de las
constelaciones de señales, de manera que las constelaciones de
señales utilizadas más frecuentemente, tales como, por ejemplo, la
16-QAM, se puedan emplear de manera sencilla y
óptima para transmitir caudales reducidos de datos.
El objetivo del procedimiento, según la
invención, se consigue del modo descrito en la parte caracterizante
de la reivindicación 1.
En las reivindicaciones 2 y 3 se caracterizan
otras configuraciones del procedimiento.
La solución para una configuración de circuito,
según la invención, se describe en la parte caracterizante de la
reivindicación 4.
En la siguiente descripción detallada se indican
otras soluciones y configuraciones de la invención.
El procedimiento descrito y la configuración de
circuito descrita permiten el aprovechamiento óptimo de la energía
de señal de las constelaciones de señales. Esto puede ser ventajoso
de dos maneras para aplicaciones técnicas. Por una parte, las
constelaciones de señales, que son muy eficientes pero que pueden
tener el inconveniente de que el número de puntos de señal no sea
una potencia de 2, se pueden adaptar de forma sencilla a los
formatos de datos utilizados en la práctica, tales como, por
ejemplo, una secuencia de bits. Por otra parte, se pueden emplear
de modo sencillo y óptimo las constelaciones de señales utilizadas
frecuentemente, tales como, por ejemplo, la 16-QAM,
para transmitir caudales de datos reducidos. De este modo, la
constelación de señales 16-QAM se puede utilizar
para transmitir, en promedio, 3 bits por punto de señal, en vez de
los habituales 4 bits por punto de señal. Esto puede ser útil,
desde el punto de vista técnico, para cambiar a la constelación de
señales 16-QAM con probabilidades optimizadas,
ganando al mismo tiempo aproximadamente 1 dB de potencia, en los
emisores y receptores existentes que utilizan como constelación de
señales, por ejemplo, la 8-QAM con los puntos
{(+-1/2,+-1/2),(+-(1+\surd3)/2,0),(0,+-(1+\surd3)/2} (es decir,
3 bits por punto de señal).
El procedimiento tiene otra característica que
se puede aprovechar convenientemente. Se trata de la recodificación,
que se puede realizar fácilmente cuando la corriente de datos de
entrada es una secuencia uniformemente repartida, en especial, una
secuencia de bits. La recodificación se puede realizar en este caso
con un método de descompresión sin pérdidas, tal como, por ejemplo,
el procedimiento de Huffman. La operación de recodificación inversa
en el lado del receptor se lleva a cabo con el método de compresión
correspondiente. Una secuencia distribuida uniformemente, o bien
una secuencia de bits, se consigue, por ejemplo, mediante el
cifrado. Esto significa que se puede conseguir la garantía y/o la
generación de una secuencia de esa clase mediante la adición de un
valor añadido, es decir, el cifrado. El nuevo procedimiento es
especialmente práctico, dado que el cifrado adquirirá una
importancia cada vez mayor en los futuros sistemas de transmisión, y
actualmente ya se suministra en muchos sistemas. En la
recodificación de la corriente de datos que llegan de la fuente a
los puntos de señal y que se transmitirán por el canal, se utiliza
como buffer un registro intermedio, destinado a adaptar el caudal
de bits, temporalmente fluctuante por la transmisión en el canal, al
caudal de bits de los datos fuente. En una configuración de
circuito, dicho registro intermedio tiene una longitud fija. Esto
conduce en la práctica al llamado desbordamiento del buffer. A fin
de solucionar este problema, en la presente invención se prevé
elegir una velocidad de transmisión de datos por el canal mayor que
el caudal de datos fuente, siendo ventajoso seleccionar una
velocidad de transmisión de datos por el canal muy poco superior al
caudal de los datos fuente. Con ello, con un coste relativamente
pequeño, es posible disponer un registro intermedio o buffer de
manera tal, que la probabilidad (conocida) de que se produzca un
desbordamiento sea relativamente insignificante. Con velocidades
mayores de transmisión de datos del canal, puede ocurrir que el
canal esté preparado para transmitir datos que todavía no han sido
puestos a disposición por la fuente. Esta circunstancia se
aprovecha, en la presente invención, para transmitir, por ejemplo,
datos de sincronización en vez de datos de la fuente. Otra solución
es transmitir, en vez de los datos de sincronización, otros datos de
encabezamiento y/o datos de usuario. Cuanto mayor sea la velocidad
de transmisión de datos del canal, tanto menor podrá ser el registro
intermedio.
De los ejemplos de realización siguientes,
descritos con referencia a los dibujos y las tablas, se desprenden
otras ventajas, características y posibilidades de aplicación de la
presente invención.
En la descripción, en las reivindicaciones, en
el resumen y en las figuras de los dibujos se emplean los conceptos
y signos de referencia contenidos en la lista de referencias
incluida al final.
A continuación, se describe la presente
invención en base a los ejemplos de realización. En los dibujos:
la figura 1 representa una constelación de
señales 16-QAM;
la figura 2 representa una constelación de
señales hexagonal;
las figuras 3 a 6 son esquemas de diagrama de
circuito de una configuración de circuito destinada a mejorar la
transmisión de datos mediante un uso más eficaz de métodos de
modulación de varias etapas;
la figura 4 muestra la tabla 1, que indica las
probabilidades p1, p2, p3, p4 de los puntos de señal de la figura
2; y
la figura 5 muestra la tabla 2, que correlaciona
los datos binarios con los puntos de señal, y viceversa.
Tal como se ha indicado anteriormente, los
procedimientos de transmisión conocidos utilizan funciones base
ortogonales para representar la señal a transmitir. Una señal de
mensaje s(t) se representa como la suma de las funciones
base ortogonales. Se puede considerar que una señal de mensaje es un
punto en el espacio de "K" dimensiones. La totalidad de todos
los puntos de señal admisibles se denomina constelación de señales,
siendo especialmente popular la llamada constelación de señales
16-QAM, que muestra la figura 1 y que representa
una de las constelaciones de señal bidimensionales.
Cuando una constelación de señales tiene en
total "M" puntos de señal, teniendo cada Mj la energía de señal
Ej, y siendo los p_{j} las probabilidades de la presencia de
dichos puntos de señal, los valores óptimos a esa potencia, según
la potencia y el caudal de información, se consiguen ajustando las
probabilidades de acuerdo con la fórmula indicada a continuación.
El valor "L" indica la cantidad total de etapas de energía
posibles.
Como ejemplo, se menciona la constelación
hexagonal de la figura 2. Por motivos de normalización, se ha
seleccionado el valor 1 como distancia mínima entre los puntos de
señal. En este caso existen L = 4 etapas de energía E1 = 0, E2 = 1,
E3 = 3 y E4 = 4. Existe un punto de señal con energía de señal cero
(M1 = 1) y seis puntos de señal para cada una de las energías de
señal 1, 3 y 4, es decir, M2 = M3 = M4 = 6.
Para representar sobre los puntos de señal
correspondientes, por ejemplo, una corriente de datos con una
determinada distribución de probabilidades, se utiliza un algoritmo
de compresión de datos sin pérdidas, por ejemplo, el método de
Huffman. Este algoritmo de compresión de datos hace que los
correspondientes puntos de señal aparezcan con la probabilidad
antes indicada. El método de Huffman se describe, por ejemplo, en
D.A. Huffman, "A Method for the Construction of Minimum
Redundancy Codes", Proc. IRE, Vol. 40, Sept. 1952, Páginas
1098-1101. En el ejemplo siguiente se recodifica
una secuencia de bits en la que la probabilidad de "ceros" y
"unos" es idéntica y los bits son estadísticamente
independientes, de forma tal que con la constelación de señales de
19 puntos de señal representada en la figura 2 se puedan transmitir
de modo eficiente, en promedio, H = 4 bits por punto de señal. La
tabla 1 de la figura 4 permite obtener las probabilidades de
presencia de cada punto de señal. La utilización de un método de
compresión de datos conduce a una correlación, tal como, por
ejemplo, la que se muestra en la tabla 2. Con la correlación de la
tabla 2 de la figura 5 se consigue una muy buena aproximación de la
energía de señal media óptima Es = 1,7224. Se obtiene una energía de
señal media de 1,8125. A efectos de comparación, la habitual
constelación de señales 16-QAM tiene una energía de
señal media de 2,5. En otras palabras, en comparación con la
16-QAM conocida, con este sencillo procedimiento se
obtiene una mejora de 10 lg (2,5/1,8125) dB, es decir,
aproximadamente 1,4 dB. Mediante correlaciones más complejas se
puede conseguir cualquier aproximación deseada al valor óptimo. Como
ejemplo aclaratorio, la secuencia de bits
01110100001111100111011110001, creada mediante una moneda con la
correlación antes mencionada, se transmitió con los puntos de señal
Z32 Z1 Z25 Z23 Z25 Z21 Z24 Z25. En este caso, Z1 es el punto de
señal con energía cero; los Z2j, con j = 1..,6, son los puntos de
señal con energía 1; los Z3j son los puntos de señal con energía 3,
y los Z4j son los puntos de señal con energía 4. La descodificación
después de la transmisión se realiza del modo correspondiente.
A continuación, se explica con más detalle la
conformación de una configuración de circuito para la realización
del procedimiento antes descrito, sobre la base del esquema de
diagrama de circuito que muestra la figura 3.
Se presupone que una fuente de datos (1)
suministra una corriente de datos (2). Un recodificador (3) hace
que un modulador (4) seleccione con la probabilidad correcta los
puntos de señal correspondientes. Tras la transmisión de la
corriente de datos (2) por un canal de transmisión (5), después de
un desmodulador (6) conectado a continuación, tiene efecto,
mediante un recodificador (7), la operación inversa, de manera que
la corriente de datos (2) termina finalmente en un sumidero de
datos (8). En las líneas o canales de conexión o transmisión entre
los componentes 1 y 3 a 8, cada corriente de datos (2) se representa
sobre las correspondientes líneas o canales mediante puntas de
flechas.
En la recodificación de la corriente de datos
que llegan de la fuente a los puntos de señal, y que se transmitirán
por el canal, se utiliza como buffer un registro intermedio, no
representado, destinado a adaptar el caudal de bits, temporalmente
fluctuante por la transmisión en el canal, al caudal de bits de los
datos fuente. El buffer o registro intermedio tiene una longitud
definida para cada realización en forma de circuito, por lo que, en
la práctica, puede surgir el problema de que se produzcan
desbordamientos. Este problema se puede solucionar eligiendo una
velocidad de transmisión de datos por el canal algo superior al
caudal de datos fuente. De esta manera, se puede determinar con un
coste relativamente reducido la longitud del buffer o registro
intermedio, de forma que la probabilidad (conocida) de que se
produzca un desbordamiento del buffer o registro intermedio sea
insignificante.
Cuando se ha elegido una velocidad de
transmisión de datos por el canal un poco superior al caudal de
datos fuente, puede ocurrir en la práctica que el canal esté
preparado para transmitir información que todavía no ha sido puesta
a disposición por la fuente.
Se puede aprovechar ventajosamente esta
circunstancia para transmitir datos de sincronización en lugar de
datos fuente. Además, en vez de los datos de sincronización, se
pueden transmitir otros datos de encabezamiento y/o datos de
usuario. Cuanto mayor sea la velocidad de transmisión de datos del
canal en relación al caudal de los datos fuente, tanto menor podrá
ser el buffer o registro intermedio.
Otra alternativa para tratar el desbordamiento o
la subutilización del buffer es prever en el recodificador (3) dos
o, en su caso, más tablas de recodificación, de modo que una tabla
conduzca a una velocidad de transmisión de datos por el canal
superior al caudal de datos fuente, mientras que la otra tabla
conduce a una velocidad de transmisión de datos por el canal
inferior al caudal de datos fuente. El recodificador (3) se puede
controlar, dependiendo del estado de la memoria intermedia. Es
decir, que cuando la memoria intermedia corre peligro de
desbordarse, se elige la velocidad de transmisión de datos por el
canal que es mayor que el caudal de los datos fuente. En el caso
opuesto, cuando casi no quedan datos en la memoria intermedia, se
selecciona la velocidad de transmisión de datos por el canal que es
menor que el caudal de los datos fuente.
En la figura 6, derivada de la figura 3, se
representa el caso más habitual, que incluye la posibilidad antes
mencionada. La posibilidad de controlar el recodificador (3) de modo
dependiente de la memoria intermedia (9) se indica en la figura 6
mediante la línea discontinua que va desde la memoria intermedia con
unidad de mando o de cálculo (9) hasta el recodificador (3). En la
figura 6 también se ha representado una segunda fuente de datos
(1') opcional (en el caso especial de que el caudal de esta fuente
de datos sea cero, dicha fuente desaparece). La segunda fuente de
datos (1') hace posible la transmisión de datos adicionales, tal
como se ha descrito anteriormente. Las líneas discontinuas que van
desde el recodificador (3) hasta la segunda fuente de datos (1')
muestran la forma en que se pueden integrar en el procedimiento, por
ejemplo, datos de comprobación para la corrección de errores. La
suma promedio del caudal de datos fuente y de los caracteres de
comprobación no debe superar la velocidad media de transmisión de
datos del canal. De modo análogo a la segunda fuente de datos (1')
y la memoria intermedia con unidad de cálculo (9), se han insertado
un segundo sumidero de datos (8') y una memoria intermedia con
unidad de control y cálculo (9') entre el sumidero de datos (8) y el
recodificador inverso (7).
Para perfeccionar el procedimiento se pueden
utilizar métodos especiales de codificación, por ejemplo, los
métodos desarrollados para constelaciones de señales hexagonales o
QAM descritos en los artículos de K. Huber, "Codes over Gaussian
Integers", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 40, No.
1, enero de 1994, pp. 207-216, y K. Huber, "Codes
over Eisenstein-Jacobi Integers", Finite Fields:
Theory, Applications and Algorithms, (Las Vegas 1993), Contemporary
Math. Vol. 168, American Math. Society, Providence, R1, pp.
165-179, así como en K. Huber, "Codes over
Tori", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 43, No. 2,
marzo de 1997, pp. 740-744.
- 1, 1'
- Fuentes de datos
- 2
- Corriente de datos
- 3
- Recodificador
- 4
- Modulador
- 5
- Canal
- 6
- Desmodulador
- 7
- Recodificador inverso
- 8, 8'
- Sumideros de datos
- 9, 9'
- Memorias intermedias con unidad de control o cálculo
Claims (4)
1. Procedimiento para la transmisión de datos
aplicando un método de modulación de varias etapas que utiliza
funciones base ortogonales y una constelación de señales
predeterminada para representar una señal a transmitir, en el que
se emplea un procedimiento de codificación de fuentes, por ejemplo,
el conocido método de Huffman, para adaptar las secuencias de datos
a fin de utilizar las funciones base ortogonales,
caracterizado porque los puntos de señal de la constelación
de señales predeterminada están seleccionados de acuerdo con las
energías de señal Ej con probabilidades Pj predeterminadas por el
procedimiento, para optimizar la energía media de la señal y/o la
velocidad de transferencia de datos, según la fórmula
2. Procedimiento, según la reivindicación 1,
caracterizado porque para la protección contra errores de
transmisión se utiliza un código corrector, de bloques o de
convolución, adaptado al método de modulación y al canal, de forma
que los caracteres de comprobación de dicho código están insertados
mediante una segunda fuente de datos (1').
3. Procedimiento, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la velocidad de transferencia de datos
del canal se elije mayor que la velocidad de transferencia de datos
de la fuente, y porque, cuando no hay presentes bits de fuente, se
transmiten datos de sincronización y otros datos de administración o
de usuario.
4. Configuración de circuito para la transmisión
de datos aplicando un método de modulación de varias etapas que
utiliza funciones base ortogonales y una constelación de señales
predeterminada para representar una señal a transmitir, en la que
se emplea un procedimiento de codificación de fuentes, por ejemplo,
el conocido método de Huffman, para adaptar las secuencias de datos
a fin de utilizar las funciones base ortogonales,
caracterizada porque, para ejecutar el proceso de
codificación de fuentes, se ha previsto una fuente de datos (1) para
una corriente de datos (2), la cual va seguida de un recodificador
(3) cuya salida está conectada a un modulador (4) para seleccionar
los puntos de señal de la constelación de señales predeterminada de
acuerdo con las energías de señal Ej con probabilidades Pj
predeterminadas por el procedimiento, para optimizar la energía
media de la señal y/o la velocidad de transferencia de datos, según
la fórmula
caracterizada, además,
porque la salida del modulador (4) está conectada a la entrada de
un canal (5), cuya salida está conectada a la entrada de un
desmodulador (6) detrás del cual se ha conectado un recodificador
(7) para realizar la operación inversa a la del codificador (3);
caracterizada, además, porque la salida de dicho codificador
(7) está conectada a un sumidero de datos (8) para la corriente de
datos (2); y caracterizada, además, porque existe una memoria
intermedia con una unidad de control y cálculo (9) que conmuta el
recodificador (3) entre, como mínimo, dos tablas de recodificación,
de forma tal, que no se desborda la capacidad de memoria,
habiéndose previsto los dispositivos inversos (7, 9')
correspondientes en el lado del receptor y en el lado del sumidero
de
datos.
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