ES2297976B2 - Sistema de procesado para conformacion de espectro. - Google Patents

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Abstract

Sistema de conformación espectral operando en tiempo real de forma adaptativa puede ser utilizado para compensar distorsiones sufridas por una señal de interés, que no son previamente conocidas por el procesador, y cuya naturaleza puede variar a lo largo del tiempo. El objeto del conformador es ajustar el espectro de la señal de interés a otro espectro de referencia, especificado de antemano y que puede ser arbitrario. El conformador incluye un conversor analógico-digital que muestrea la señal de interés, un sistema de filtrado digital que posee coeficientes que son variados de forma adaptativa, y un conversor digital-analógico que reconstruye la señal con el espectro ajustado al de referencia. El sistema de filtrado digital incluye un control digital automático de ganancia que ajusta el nivel de potencia de la señal de interés, y un filtro de respuesta impulsional infinita, cuyos coeficientes se adaptan mediante un algoritmo de conformación espectral.

Description

Sistema de procesado para conformación de espectro.
Resumen
Un sistema de conformación espectral operando en tiempo real de forma adaptativa puede ser utilizado para compensar distorsiones sufridas por una señal de interés, que no son previamente conocidas por el procesador, y cuya naturaleza puede variar a lo largo del tiempo. El objeto del conformador es ajustar el espectro de la señal de interés a otro espectro de referencia, especificado de antemano y que puede ser arbitrario. El conformador incluye un conversor analógico-digital que muestrea la señal de interés, un sistema de filtrado digital que posee coeficientes que son variados de forma adaptativa, y un conversor digital-analógico que reconstruye la señal con el espectro ajustado al de referencia. El sistema de filtrado digital incluye un control digital automático de ganancia que ajusta el nivel de potencia de la señal de interés, y un filtro de respuesta impulsional infinita, cuyos coeficientes se adaptan mediante un algoritmo de conformación espectral. Este algoritmo opera exclusivamente sobre las muestras de la señal de interés y la caracterización paramétrica del espectro de referencia, sin necesidad de extraer ningún otro tipo de información de la señal de interés como pueda ser marcas de sincronismo o segmentos de entrenamiento, lo cual reduce considerablemente la complejidad del conformador.
Ámbito de la invención
La presente invención se refiere a la reducción de distorsión en una señal de interés, y en particular a un aparato que es efectivo para ajustar el espectro de una señal de interés a un espectro de referencia, así como un método para llevar a cabo esta tarea.
Antecedentes y estado del arte
La operación de componentes y equipos con características no ideales sobre una señal, así como la propagación de dicha señal a través de un medio físico, introducen distorsión en dicha señal. Por ejemplo, la señal transmitida en un sistema de comunicaciones puede verse afectada tras su paso por el medio físico por efectos tales como: multitrayecto, en comunicaciones inalámbricas; desadaptaciones de impedancia, en comunicaciones guiadas por cable coaxial; selectividad en frecuencia, en comunicaciones sobre par trenzado; y dispersión multimodal, en comunicaciones por fibra óptica. La señal de interés también puede verse afectada a su paso por los filtros presentes en los equipos de transmisión o de recepción, cuya respuesta frecuencial nunca será perfectamente plana en la banda de paso de la señal de interés.
En todos los casos, la distorsión introducida resultará en una degradación de la calidad del sistema de comunicaciones, medida como tasa de error si el sistema de comunicaciones es digital, o como fidelidad de reproducción de la información original si el sistema de comunicaciones es analógico. Estos efectos sobre la señal de interés son de carácter lineal y por tanto alteran el contenido frecuencial o espectro de dicha señal, siendo posible en principio su compensación mediante el uso de filtros. La naturaleza de dichos efectos es en general complicada y varía a lo largo del tiempo como consecuencia de fluctuaciones de temperatura, movimiento de los terminales o de los objetos presentes en el medio físico, o cambios en las condiciones de carga de las líneas de transmisión; lo cual dificulta su eliminación mediante dispositivos no ajustables.
Un posible método para combatir la distorsión consiste en el uso de filtros adaptativos que se ajustan a lo largo del tiempo para contrarrestar al menos parte de los efectos perniciosos sobre la señal. Como ejemplo particular de estos filtros cabe citar los sistemas de supresión de interferencias causadas por multitrayecto en receptores de televisión (TV) analógica, como el descrito por C. B. Patel y J. Yang en la Patente Europea EP 0 600 739 A2 de 2-12-1993 y titulada "VIDEO GHOST CANCELLATION", y que hace uso de segmentos especialmente introducidos para este propósito en la señal de TV y denominados GCR (Ghost Cancelling Reference) para estimar periódicamente el filtro corrector.
Otro ejemplo particular de estos filtros correctores se halla en los sistemas denominados igualadores, situados en el equipo receptor de numerosos sistemas de comunicaciones digitales. En esta situación el igualador está precedido por un conversor analógico-digital que obtiene una secuencia de muestras de la señal de interés. El igualador opera sobre estas muestras con el objeto de recrear en su salida una estimación de la secuencia de símbolos portadores de la información digital originalmente transmitidos. La medida de la calidad de dicha estimación puede servir para ajustar los coeficientes del igualador, utilizando algoritmos adaptativos. Estos algoritmos pueden requerir conocimiento por parte del receptor de información incorporada en la señal de interés, tal como marcas de sincronismo o segmentos de entrenamiento, y en tal caso se denominan supervisados. Otros algoritmos adaptativos, denominados ciegos, utilizan únicamente información de tipo estadístico acerca de los símbolos transmitidos para el ajuste de los coeficientes del igualador. El hecho de que el igualador trata de reproducir la secuencia de símbolos original es por tanto crítico para el funcionamiento de los algoritmos adaptativos, tanto supervisados como ciegos.
Sin embargo, existen situaciones en las que el filtro corrector de distorsión ha de insertarse en un punto que no se corresponda con el receptor final de la información, como por ejemplo en sistemas reemisores cuyo fin es la amplificación y retransmisión de la señal de interés. En dichas situaciones la corrección de distorsión mediante un filtro igualador requeriría implementar un sistema demodulador completo, seguido del igualador y de un sistema modulador completo para regenerar la señal de interés, lo que resultaría en un coste y complejidad excesivos.
Para evitar estos problemas es posible utilizar un filtro corrector ajustable cuya adaptación no esté basada en la regeneración de los símbolos originales. Un sistema de corrección para equipos reemisores presentando distorsión debida al acoplo entre las antenas transmisora y receptora es descrito por S. J. Highton y W. N. Dominic en la Patente Europea EP 0 772 310 A2 de 7-5-1997 titulada "OFDM ACTIVE DEFLECTORS", el cual requiere una etapa de entrenamiento inicial mediante la inserción de una señal piloto en la cadena de transmisión. M. R. May y C. A. Greaves describen en la Patente Europea EPO 833 460 A de 10-9-1997 titulada "METHOD AND APPARATUS FOR FREQUENCY DOMAIN RIPPLE COMPENSATION FOR A COMMUNICATIONS TRANSMITTER" un procedimiento para compensar la distorsión introducida por los filtros analógicos de un reemisor en su banda de paso, así como por el acoplo entre antenas, midiendo dicha distorsión en el dominio frecuencial utilizando la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform). Existen métodos analógicos, como el descrito por M. Suga y S. Isobe en la Patente Europea EP 1 089 513 A1 de 4-4-2001 titulada "FREQUENCY CHARACTERISTIC COMPENSATOR FOR OFDM", en el que se utilizan circuitos analógicos a modo de analizador espectral y se ajusta la respuesta del filtro compensador en función de la medida del espectro de la señal de interés. Los mismos inventores describen en la Patente Europea EP 1 039 716 Al de 27-9-2000 titulada "OFDM TRANSMISSION SIGNAL REPEATER AND RECEIVER" un sistema híbrido analógico-digital que calcula el filtro corrector a partir de ciertas estimaciones de la función de autocorrelación de la señal de interés. También presentan métodos analógicos y digitales M. Barba et al. en la Patente Europea EP 1 261 148 A1, de 27-11-2002, titulada "METHOD FOR REPEATING ISOFREQUENCY SIGNALS AND ISOFREQUENCY SIGNAL REPEATER" para el ajuste de un filtro adaptativo cuyo objeto es la corrección de la distorsión debida al acoplo entre antenas transmisora y receptora, que requieren la introducción de un cierto retardo temporal en el camino seguido por la señal de interés, lo cual no permite la corrección de distorsión producida por componentes de multitrayecto correspondientes a valores de retardo inferiores al
introducido.
Finalmente se puede afirmar que el dispositivo corrector de distorsión debería utilizar una arquitectura simple y efectiva para reducir su coste, ser capaz de ajustar el filtro corrector de forma ciega sin necesidad de extraer información de referencia de la señal de interés, y no verse limitado por los valores de retardo correspondientes al multitrayecto cuya distorsión es debido eliminar.
Descripción
El objeto de la presente invención es un sistema conformador de espectro que permite corregir las distorsiones de carácter lineal que afectan a cierta señal de interés. Este objetivo se consigue con un sistema de procesado de señales para la conformación de espectro como el definido en las reivindicaciones.
La presente invención parte del hecho de que el espectro de la señal libre de distorsión es conocido a priori, y que las distorsiones lineales que afectan a la señal se ven reflejadas en su espectro, el cual será diferente del correspondiente espectro cuando no existe distorsión. Por tanto, es posible corregir dicha distorsión mediante la conformación del espectro de la señal de interés, de forma que se ajuste al espectro correspondiente cuando no existe distorsión y que puede considerarse como espectro de referencia. La conformación de espectro se realiza mediante procesado de señal de forma adaptativa, de manera que una ventaja de la presente invención consiste en la posibilidad de corregir distorsiones que varían a lo largo del tiempo.
La descripción de la presente invención especifica los siguientes aspectos de su implementación: (1) método de inserción del elemento de procesado adaptativo; (2) arquitectura del filtro utilizado para el procesado adaptativo; y (3) algoritmo de actualización de los coeficientes de dicho filtro.
Un ejemplo de sistema conformador de espectro según la invención está constituido por un conversor analógico-digital que realiza el muestreo y cuantificación de la señal de interés, un filtro digital adaptativo encargado de corregir la distorsión que afecta a la señal mediante la conformación de su espectro, y un conversor digital-analógico que convierte otra vez la señal en analógica.
En otro ejemplo según la invención el sistema de procesado para conformación de espectro está caracterizado porque el filtro digital adaptativo es de respuesta impulsional infinita (IIR). Esto presenta la ventaja de permitir disminuir el número de coeficientes necesarios en el filtro para la conformación del espectro, con lo que se reduce notablemente el coste de implementación del sistema.
En un ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención el filtro IIR digital adaptativo se implementa mediante la arquitectura denominada estructura en forma directa.
En otro ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención el filtro IIR digital adaptativo se implementa mediante la arquitectura denominada estructura en celosía. Esto tiene la ventaja de permitir una mayor sencillez de implementación en el caso de que sea necesario monitorizar la estabilidad del filtro adaptativo.
\newpage
Otro ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención está caracterizado porque el filtro IIR digital adaptativo dispone de coeficientes que se adaptan según un algoritmo de conformación espectral el cual ajusta el espectro de la señal de interés a un espectro denominado de referencia, sin necesidad de extraer información de referencia de la señal de interés y operando por tanto de forma ciega.
En otro ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención el algoritmo de conformación espectral dispone de un mecanismo de goteo, lo cual estabiliza la evolución de los coeficientes del filtro IIR digital adaptativo.
En otro ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención el algoritmo de conformación espectral se implementa por medio de alguna de sus variantes basadas en la función signo, lo que presenta la ventaja de reducir el coste computacional del algoritmo manteniendo unas buenas propiedades de convergencia.
En otro ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención el algoritmo de conformación espectral se implementa por medio de alguna de sus variantes basadas en adaptación secuencial, lo que reduce el coste computacional del algoritmo a costa de una convergencia más lenta.
En otro ejemplo de sistema de procesado para conformación de espectro según la invención el algoritmo de conformación espectral se implementa en forma de una recursión de Gauss-Newton, lo cual presenta la ventaja de acelerar considerablemente la velocidad de convergencia de los coeficientes, a costa de incrementar la complejidad computacional del dispositivo adaptativo.
A continuación se ilustrarán las ventajas y características de la invención mediante la siguiente descripción, en la que se hace referencia a las figuras adjuntas.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques del filtro digital adaptativo.
La figura 2 muestra una posible configuración del elemento de filtrado digital.
La figura 3 muestra otra posible configuración del elemento de filtrado digital.
La figura 4 muestra el elemento de adaptación de coeficientes.
La figura 5 muestra el cálculo de los coeficientes del filtro digital de realimentación mediante el algoritmo adaptativo de conformación espectral.
La figura 1 muestra el diagrama de bloques del sistema de procesado para conformación de espectro, el cual consta de un conversor analógico-digital 13 que convierte la señal analógica de interés en digital mediante muestreo; un filtro 14 que es digital y adaptativo y que procesa las muestras de la señal de interés; y un conversor digital-analógico 15 que reconstruye una señal analógica a partir de las muestras de la salida del filtro digital adaptativo 14. El filtro digital adaptativo 14 está a su vez compuesto por un elemento de filtrado digital 141 y un elemento de adaptación de coeficientes 142.
La figura 2 muestra el diagrama de bloques de una posible configuración del elemento de filtrado digital 141, el cual se compone de un filtro digital de realimentación 1411, una etapa de multiplicación 1412, un filtro digital hacia delante 1413 y una etapa sumadora de cancelación 1414. El filtro digital de realimentación 1411 es implementado de forma no limitativa mediante la arquitectura denominada estructura en forma directa, en cuyo caso dicho filtro calcula una estimación de la distorsión presente en la señal de entrada al elemento de filtrado digital 141, denominada entrada[n], la cual es entregada por el conversor analógico-digital 13, mediante la suma ponderada a_{1}\cdotaux[n-1] + a_{2}\cdotaux[n-2] + ... + a_{N}\cdotaux[n-N]. Esta estimación es restada de la señal entrada[n] mediante la etapa sumadora de cancelación 1414 y el resultado es multiplicado por el coeficiente b mediante la etapa de multiplicación 1412, para obtener así la señal auxiliar aux[n]. Esta operación se puede describir mediante la siguiente ecuación en diferencias:
1
Esta señal auxiliar aux[n] es procesada por el filtro digital hacia delante 1413 para calcular la señal salida[n], que será entregada al conversor digital-analógico 15, mediante la siguiente ecuación en diferencias:
\vskip1.000000\baselineskip
2
El coeficiente b que interviene en la etapa de multiplicación 1412 será ajustable y servirá para establecer la ganancia del sistema de conformación de espectro 1 y mantener la potencia de su señal de salida igual a un nivel de referencia prefijado. Los coeficientes, a_{1},..., a_{N} que intervienen en la operación del filtro digital de realimentación 1411 serán asimismo ajustables y servirán para estimar la distorsión existente en la señal entrada[n], lo cual se realizará mediante la conformación del espectro de la señal aux[n]. Los coeficientes c_{0},..., c_{L} que intervienen en la operación del filtro digital hacia delante 1413 serán fijos y servirán para terminar de conformar el espectro de la señal salida[n] presente a la salida del filtro digital 14. Sin embargo, el uso del filtro hacia delante 1413 es opcional y su presencia no es estrictamente necesaria para el correcto funcionamiento del sistema de procesado para conformación de espectro 1. Alternativamente, el filtro digital hacia delante 1413 puede situarse antes de la etapa sumadora de cancelación 1414. En tal caso la señal auxiliar aux[n] coincide con la señal salida del elemento de filtrado digital 141, salida[n], que es entregada al conversor digital-analógico 15. La operación del filtrado digital para producir la señal aux[n] se describe entonces mediante la siguiente ecuación en diferencias:
3
La figura 3 muestra otra posible configuración del elemento de filtrado digital 141, en la cual el filtro digital hacia delante 1413 se sitúa justo tras la etapa de multiplicación 1412, de forma que la señal procesada por el filtro digital de realimentación 1411 pasa a ser directamente la señal salida del elemento de filtrado digital 141, salida[n], entregada al conversor digital/analógico 15. En tal caso la operación de filtrado digital para producir la señal salida[n] se describe mediante la siguiente ecuación en diferencias:
4
mientras que la señal auxiliar aux[n], presente a la salida de la etapa de multiplicación 1412, se obtendría mediante la siguiente operación, en el caso en que el filtro digital de realimentación 1411 es implementado de forma no limitativa mediante la arquitectura denominada estructura en forma directa:
5
Para ajustar los coeficientes b, a_{1},..., a_{N} del elemento de filtrado digital 141 sin intervención externa, lo cual hace el sistema más robusto y sencillo de manejar, se empleará un algoritmo de adaptación ciego o no supervisado, es decir, que no necesita extraer información de referencia tal como segmentos de marcado o secuencias piloto de la señal de interés.
La figura 4 muestra el diagrama de bloques del elemento de adaptación de coeficientes 142, el cual consta de un elemento de control automático de ganancia 1421, encargado de realizar la adaptación del coeficiente b que actúa en la etapa de multiplicación 1412 del elemento de filtrado digital 141, así como de otro elemento de conformación espectral 1422, encargado de realizar la adaptación de los coeficientes a_{1},..., a_{N}, que actúan en el filtro de realimentación 1411 del elemento de filtrado digital 141.
En el sistema de procesado para conformación de espectro objeto de la presente invención es preciso mantener el rango dinámico de entrada al conversor digital-analógico 15, lo cual puede efectuarse mediante un elemento de control automático de ganancia 1421 que ajuste el coeficiente b actuando en la etapa de multiplicación 1412 del elemento de filtrado digital 141 para hacer frente a variaciones en la señal de interés de su nivel de potencia. Ejemplos de elementos de control automático de ganancia pueden encontrarse en el libro de J. A. C. Bingham titulado The Theory and Practice of Modem Design, John Wiley & Sons, 1988. Independientemente del método utilizado en el elemento de control automático de ganancia 1421, el nivel de potencia media de la señal aux[n] presente a la salida de la etapa de multiplicación 1412 del elemento de filtrado digital 141 deberá mantenerse a un valor de referencia R_{0} adecuado para el correcto funcionamiento del conversor digital-analógico 15.
Para el ajuste de los coeficientes del filtro digital de realimentación 1411 no se ha optado por algoritmos adaptativos basados en la minimización de la potencia media a la salida de la etapa sumadora de cancelación 1414, los cuales son los más comunes y estudiados, bien bajo el criterio del error cuadrático medio o MMSE (Minimum Mean Squared Error) o bien bajo el criterio de mínimos cuadrados o LS (Least Squares), como se estudia en el libro de S. Haykin titulado Adaptive Filter Theory, Prentice-Hall, 2001. Esta decisión es debida a que bajo cualquiera de estos dos criterios los coeficientes del filtro convergerían a una solución incorrecta en la que el espectro de la señal a la salida de la etapa sumadora de cancelación 1414 tendería a ser plano y no coincidiendo por tanto con el espectro de referencia, lo que se traduciría en una importante distorsión residual en la señal de interés. Este problema podría aliviarse mediante la introducción de un elemento de retardo temporal a la salida de la etapa sumadora de cancelación 1414, cuyo valor ha de ser lo suficientemente elevado para garantizar la incorrelación entre valores de la señal de interés separados temporalmente una cantidad mayor o igual al valor del retardo temporal introducido. Sin embargo, esta solución es sólo parcial ya que los coeficientes del filtro convergerían a una solución en la cual no se eliminaría parte de la distorsión, como por ejemplo la producida por el efecto del multitrayecto en la señal de interés si las componentes del multitrayecto se corresponden con retardos temporales de duración menor a la del valor del retardo introducido a la salida de la etapa sumadora de cancelación 1414. Por todo ello, en lugar de fijar como objetivo para el algoritmo adaptativo la minimización de la potencia media a la salida de la etapa sumadora de cancelación 1414, la presente invención utiliza un criterio de conformación espectral como paso hacia la eliminación de distorsión presente en la señal de interés. El algoritmo resultante y descrito a continuación no adolece de los problemas expuestos que afectan a los esquemas basados en los criterios MMSE o LS.
La figura 5 muestra la operación del elemento de conformación espectral 1422, para la configuración del elemento de filtrado digital 141 mostrada en la figura 2. Dicha operación se corresponde con un algoritmo de conformación espectral para la adaptación de los N coeficientes a_{1},..., a_{N} del filtro digital de realimentación 1411, que se puede expresar de la siguiente forma:
100
Esta expresión describe un algoritmo adaptativo de conformación espectral. La señal aux[n] es la salida de la etapa de multiplicación 1412, cuyo espectro debe ser conformado con el fin de ajustarse lo más posible al de refe-
rencia.
La constante \varepsilon es o bien cero o bien positiva y próxima a cero; en este último caso el algoritmo se denomina con goteo (leaky), siendo la misión de \varepsilon evitar la deriva de los coeficientes a_{1}...a_{N} a lo largo del tiempo, la cual puede producirse, por ejemplo, si la señal de interés posee escaso contenido en algunas bandas de frecuencia; el valor de \varepsilon debe ser escogido adecuadamente mediante un compromiso entre estabilidad frente a deriva y error residual.
La constante positiva \mu_{a} representa un paso de adaptación cuyo valor incide en la rapidez de la convergencia de los coeficientes del filtro digital de realimentación 1411 y el error residual final en torno a la solución óptima; dicho valor debe ser escogido adecuadamente mediante un compromiso entre velocidad de convergencia y error
residual.
Las constantes R_{1},..., R_{N} especifican el espectro de referencia al que se quiere ajustar el espectro de la señal auxiliar aux[n], de forma que pueden ser determinadas en función de la naturaleza de la señal de interés y de la frecuencia de muestreo utilizada en el conversor analógico-digital 13. Así, las constantes R_{1},..., R_{N} pueden ser calculadas a priori en función de la aplicación, y almacenadas en el sistema de procesado para conformación de espectro para su utilización en el algoritmo de conformación espectral.
Para la configuración del elemento de filtrado digital 141 mostrada en la figura 2, la adaptación de los N coeficientes a_{1},..., a_{N} del filtro digital de realimentación 1411 mediante una variante, basada en la función signo, del algoritmo de conformación espectral descrito puede representarse de manera no limitativa de la siguiente forma:
6
donde la función signo se define como sign(x) = 1 si x es positivo y sign(x) = -1 si x es negativo, y las constantes \overline{R}_{1},..., \overline{R}_{N} especifican el espectro de referencia al que se quiere ajustar el espectro de la señal auxiliar aux[n], de forma que pueden ser determinadas en función de la naturaleza de la señal de interés y de la frecuencia de muestreo utilizada en el conversor analógico/digital 13. Así, las constantes \overline{R}_{1},..., \overline{R}_{N} pueden ser calculadas a priori en función de la aplicación.
El algoritmo de conformación espectral, referido a la configuración del elemento de filtrado digital 141 mostrada en la figura 2, y en cualquiera de sus variantes, es también aplicable al caso en el que la señal de interés tome valores complejos, como ocurre en ciertos sistemas de comunicaciones digitales. En tal caso las señales entrada[n], aux[n] y salida[n] así como los coeficientes a_{1},..., a_{N}, c_{0},..., c_{L} del elemento de filtrado digital 141 toman valores complejos, y la adaptación de los coeficientes a_{1},..., a_{N} del filtro de realimentación 1411 puede expresarse de la siguiente
forma:
7
donde (aux[n-k])* denota el complejo conjugado de aux[n-k]. Las constantes R_{1},..., R_{N}, que toman en este caso valores complejos, son calculadas a priori en función de la naturaleza de la señal de interés y de la frecuencia de muestreo utilizada en el conversor analógico-digital 13.
Para la configuración del elemento de filtrado digital 141 mostrada en la figura 3, el algoritmo de conformación espectral para la adaptación de los N coeficientes a_{1},..., a_{N} del filtro digital de realimentación 1411 está dado por la siguiente expresión:
8
Las constantes S_{1},..., S_{N} especifican el espectro de referencia al que se quiere ajustar el espectro de la señal auxiliar aux[n], de forma que pueden ser determinadas en función de la naturaleza de la señal de interés y de la frecuencia de muestreo utilizada en el conversor analógico-digital 13. Así, las constantes S_{1},..., S_{N} pueden ser calculadas a priori en función de la aplicación. El algoritmo de conformación espectral descrito, referido a la configuración del elemento de filtrado digital 141 mostrada en la figura 3, y en cualquiera de sus variantes, es también aplicable al caso en el que la señal de referencia tome valores complejos, como ocurre en ciertos sistemas de comunicaciones digitales. En tal caso las señales entrada[n], aux[n] y salida[n] así como los coeficientes a_{1},..., a_{N}, c_{0},..., c_{L} del elemento de filtrado digital 141 toman valores complejos, y la adaptación de los coeficientes a_{1},..., a_{N} del filtro de realimentación 1411 puede representarse de manera no limitativa de la siguiente forma:
9
donde (salida[n-k])* denota el complejo conjugado de salida[n-k]. Las constantes S_{1},..., S_{N}, que toman en este caso valores complejos, son calculadas a priori en función de la naturaleza de la señal de interés y de la frecuencia de muestreo utilizada en el conversor analógico-digital 13.
Descripción de una realización de preferencia
A continuación se describe, a modo de ejemplo y sin ningún carácter limitativo, una realización de preferencia consistente en un sistema repetidor para señales de comunicaciones digitales en sistemas inalámbricos, con el objeto de ilustrar las ventajas y propiedades de la invención en una de sus muchas aplicaciones posibles.
La realización de preferencia presentada a modo de ejemplo se refiere a un proceso de retransmisión de señales mediante un sistema repetidor, el cual puede presentar acoplo entre las antenas transmisora y receptora, y que consta de las siguientes etapas: (a) recepción de una señal de radiofrecuencia; (b) conversión opcional de dicha señal a una de frecuencia intermedia; (c) filtrado, amplificación y control automático de la potencia de dicha señal; (d) conversión analógico-digital de dicha señal a otra digitalizada; (e) compensación adaptativa de la distorsión presente en dicha señal digitalizada y que puede ser debida a cualquiera de las siguientes causas: propagación multitrayecto de la señal analógica original antes de alcanzar el repetidor, acoplo entre las antenas transmisora y receptora del repetidor, o el procesado realizado por las etapas anteriores del propio repetidor; (f) conversión digital-analógica de la señal digital compensada; (g) modulación opcional de la señal resultante a una cierta banda de radiofrecuencia; (h) amplificación en potencia, filtrado y transmisión de dicha señal.
El repetidor puede ser incorporado en sistemas de comunicaciones digitales tales como DVB, DAB, GSM, W-CDMA, etc., en aquellos puntos geográficos en los que sea necesario aumentar el nivel de potencia de la señal para su correcta recepción, pudiendo transmitir en el mismo canal en el que recibe la señal, tal y como se hace en los sistemas denominados isofrecuencia. En este caso se tendrá una realimentación considerable de la antena transmisora a la antena receptora del repetidor, el cual puede llegar a hacer el repetidor inestable e inservible. El acoplo entre las antenas suele cuantificarse mediante el Margen de Ganancia, definido en decibelios como:
10
de forma que el acoplo es más severo cuanto menor sea el Margen de Ganancia.
Para reducir esta realimentación pueden utilizarse antenas altamente directivas, lo cual aumenta el coste del repetidor, o bien puede reducirse la ganancia máxima del sistema con la consecuente reducción de la cobertura del repetidor. La realización de preferencia de la invención presentada aquí a modo de ejemplo y sin carácter limitativo permite utilizar ganancias elevadas con antenas no necesariamente directivas, con la consiguiente reducción de costes y aumento de cobertura.
Incluso en el caso de no existir acoplo significativo entre las antenas del repetidor, por ejemplo si los canales de entrada y salida del repetidor son diferentes, la distorsión que sufre la señal de interés desde que es originalmente transmitida hasta que es de nuevo retransmitida por el repetidor incide negativamente en la recepción final aumentando la tasa de error. Esta distorsión puede ser debida a la propagación multitrayecto de la señal antes de llegar a la antena receptora del repetidor, así como a las posibles imperfecciones en la cadena de conversiones en frecuencia, filtrado y amplificación analógicas presentes en el propio repetidor. La presente invención permite compensar la distorsión introducida por el canal multitrayecto y el procesado analógico del repetidor, con la consiguiente reducción de la tasa de error obtenida en la recepción final.
La realización de preferencia presentada a modo de ejemplo parte del hecho de que el espectro de la señal de comunicaciones libre de distorsión es conocido a priori, y que las distorsiones lineales que padece la señal desde que es inicialmente transmitida se ven reflejadas en su espectro, de forma que el espectro de la señal obtenida en el repetidor diferirá del espectro de la señal inicialmente transmitida y que se hallaba libre de distorsión. Por tanto, es posible corregir dicha distorsión mediante la conformación del espectro de la señal que alcanza el repetidor, de forma que se ajuste al espectro de la señal inicialmente transmitida y que puede considerarse como espectro de referencia. Por ejemplo, las señales generadas mediante la modulación conocida como COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) presentan un espectro aproximadamente plano dentro de la banda de trabajo y con muy baja potencia fuera de dicha banda.
La conformación de espectro realizada por la invención se efectúa de forma adaptativa, de manera que una ventaja de la presente realización de preferencia, presentada a modo de ejemplo, consiste en la posibilidad de corregir distorsiones que varían a lo largo del tiempo, por ejemplo debidas a reflectores móviles presentes en el entorno o a los cambios en el punto de trabajo de los componentes analógicos del repetidor por variaciones de temperatura.
Un ejemplo de sistema conformador de espectro según la realización de preferencia, presentada a modo de ejemplo, de la invención está constituido por un primer filtro analógico que selecciona la banda de frecuencia de la señal de entrada, un primer conversor de frecuencia que de forma opcional traslada el contenido espectral de la señal a otra banda centrada en la denominada frecuencia intermedia de procesado, un control analógico de ganancia que ajusta el margen dinámico de la señal al valor especificado en el diseño, un conversar analógico/digital que realiza el muestreo y cuantificación de la señal, un filtro digital adaptativo encargado de corregir la distorsión presente en la señal mediante la conformación de su espectro, un conversar digital/analógico que convierte otra vez la señal en analógica, un segundo conversar de frecuencia que de forma opcional traslada el contenido espectral de la señal a la banda de frecuencia correspondiente al canal de salida del repetidor, y un amplificador que eleva la potencia de salida para garantizar un nivel adecuado de señal en la zona de cobertura del repetidor.
Un ejemplo no limitativo de la realización de preferencia, presentada a modo de ejemplo, de la invención se describe con referencias a las figuras adjuntas.
La figura 6 muestra de forma simplificada el recorrido que sigue la señal de radiofrecuencia en un sistema inalámbrico con repetidor (o Gap-Filler).
La figura 7 muestra un diagrama de bloques de un repetidor (o Gap-Filler).
La figura 8 muestra un esquema del sistema de conformación de espectro de la realización de preferencia, presentada a modo de ejemplo, según la invención.
En la figura 6 se observa de forma simplificada el recorrido que sigue la señal de radiofrecuencia en un sistema inalámbrico que incluye un elemento repetidor, desde que sale de la antena 21 del transmisor 2 hasta que es recibida por la antena 61 del receptor 6. En muchos casos para asegurar una correcta recepción de la señal es necesaria la utilización de repetidores (o Gap–Fillers) 4 que amplifiquen la señal hasta un nivel que garantice la cobertura de zonas que de otro modo no tendrían garantizada la adecuada recepción de la señal de radiofrecuencia. Como puede observarse, la señal emitida por una antena transmisora 21 de un transmisor 2 atraviesa un primer canal multitrayecto 3 que une la antena 21 con una antena receptora 41 de un repetidor (o Gap-Filler) 4. Un segundo canal multitrayecto 5 es asimismo atravesado por la señal desde que es emitida por una antena transmisora 42 del repetidor 4 hasta que es captada por una antena receptora 61 del equipo receptor 6.
Las distorsiones producidas en el canal multitrayecto 3 y 5 y las propias distorsiones producidas por el repetidor (o Gap-Filler) 4 inciden negativamente en la recepción de la señal. Si la banda de frecuencias de la señal a la entrada del repetidor coincide con la banda de frecuencias de la señal a la salida del repetidor, tal como ocurre por ejemplo en los sistemas denominados isofrecuencia, el acoplo que inevitablemente ocurrirá entre la antena receptora 41 y la antena transmisora 42, ambas del repetidor 4, producirá una distorsión adicional en la señal de radiofrecuencia.
Para mejorar la calidad de la señal en el receptor 6 estas distorsiones son corregidas mediante un sistema de conformación de espectro 1 según la invención el cual se ubica en el repetidor (o Gap-Filler) 4 según puede observarse en la figura 7.
El sistema de conformación de espectro objeto de la invención no requiere en principio la traslación espectral de la señal de interés, aunque dicha traslación puede realizarse para facilitar la operación de los circuitos de conversión sin que esto incida en los principios de funcionamiento de la invención. Así, la figura 7 muestra como ejemplo y de forma no limitativa un diagrama de bloques genérico de un repetidor (o Gap-Filler) 4 con un sistema de conformación de espectro 1 según la invención, en el que la señal de interés es trasladada a una banda de frecuencias intermedia. Como puede apreciarse la señal procedente de la antena 41 es procesada por un filtro de canal 43 el cual rechaza la frecuencia imagen de la señal de entrada. La señal filtrada se introduce en un mezclador 44 donde es batida con la señal generada por un oscilador local 45. A la salida del mezclador 44 se obtiene la señal en frecuencia intermedia. Esta señal se introduce en un filtro de onda superficial 46 que elimina todos los batidos indeseados producidos en el mezclador 44.
En este ejemplo de aplicación de la invención, la señal en frecuencia intermedia es amplificada mediante los amplificadores de frecuencia intermedia 47 y 48 y detectada a la salida de éste último mediante el detector 49. La señal detectada se emplea para generar la tensión de control automático de ganancia VCAG, la cual, actúa sobre el atenuador 411 de forma que el nivel de señal a la entrada del sistema de conformación de espectro 1 tenga un nivel constante para todos los valores de señal de entrada dentro del rango dinámico del equipo repetidor 4.
La señal de salida del sistema de conformación de espectro es introducida en un mezclador 412, donde es batida con la señal del oscilador local 413 de forma que a la salida del mezclador 412 se obtiene la señal en la frecuencia del canal que se desea transmitir.
La señal de salida del mezclador 412 se hace pasar por el filtro de canal 414 encargado de eliminar todos los batidos indeseados, de forma que a su salida aparezca solamente la señal en la banda de frecuencias en la que se desea transmitir.
La señal resultante se hace pasar por el amplificador de salida 415 encargado de elevar el nivel de señal hasta el valor adecuado para ser transmitido por la antena transmisora 42.
La figura 8 muestra de forma no limitativa un esquema del sistema de procesado para conformación de espectro 1 según la invención, en una realización de preferencia presentada a modo de ejemplo en la que el sistema de conformación de espectro se inserta en un repetidor para señales de radiofrecuencia y en el que la señal de interés se traslada a una banda de frecuencia intermedia para su procesado. Como puede observarse, el sistema de procesado para conformación de espectro 1 está constituido por un primer filtro 11 que selecciona la banda de frecuencias de la señal de entrada, un primer conversor de frecuencia 12 que traslada la frecuencia de la señal a otra frecuencia llamada frecuencia intermedia de procesado, un conversor analógico/digital 13 que convierte la señal analógica a digital mediante muestreo; las muestras digitales se procesan en un filtro 14 que es digital y adaptativo. La salida del filtro digital adaptativo 14 se vuelve a convertir a analógica mediante un conversor digital/analógico 15; por último un segundo conversor de frecuencia 16 devuelve la señal a su frecuencia original.
Además de las ventajas de reducción de distorsiones que presenta la aplicación del sistema de conformación de espectro de la invención en la realización de preferencia, presentada a modo de ejemplo, de un sistema repetidor (o Gap-Filler), otra ventaja adicional consiste en el hecho de que para el correcto funcionamiento del algoritmo de conformación espectral no es necesario realizar una conversión analógico-digital de la señal enviada a la antena transmisora 42 por el amplificador de salida 415.
Un ejemplo de realización de preferencia, presentada a modo de ejemplo, de la presente invención para un repetidor de señales de comunicaciones digitales en un sistema isofrecuencia desarrolla una implementación del filtro digital en dispositivos lógicos configurables, tales como FPGA, etc.
Lista de referencias
1
Sistema de procesado para conformación de espectro
11
Filtro analógico
12
Primer Conversor de frecuencia
13
Conversor Analógico/Digital
14
Filtro digital adaptativo
141
Elemento de filtrado digital
1411
Filtro digital de realimentación
1412
Etapa de multiplicación
1413
Filtro digital hacia delante
1414
Etapa sumadora de cancelación
142
Elemento de adaptación
1421
Elemento de control digital automático de ganancia
1422
Elemento de conformación espectral
15
Conversar Digital/Analógico
16
Segundo Conversor de frecuencia
2
Transmisor
21
Antena del transmisor 2
3
Canal multitrayecto Transmisor-Repetidor
4
Repetidor (ó Gap-Filler)
41
Antena receptora repetidor 4
42
Antena transmisora repetidor 4
43
Filtro de canal
44
Mezclador
45
Oscilador local
46
Filtro de onda superficial
47
Amplificador
48
Amplificador
49
Detector
411
Atenuador
412
Mezclador
413
Oscilador
414
Filtro de canal
415
Amplificador de Salida
5
Canal multitrayecto repetidor-receptor

Claims (12)

1. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro constituido por un conversor analógico/digital (13) que convierte la señal de interés analógica a digital, un filtro digital adaptativo (14), y un conversor digital/analógico (15) que convierte nuevamente la señal en analógica, caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) conforma el espectro de la señal de forma adaptativa para ajustarlo a un espectro de referencia que puede ser arbitrario.
2. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicación 1 caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) es de respuesta impulsional infinita.
3. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) se implementa mediante la arquitectura denominada estructura en forma directa.
4. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) se implementa mediante la arquitectura denominada estructura en celosía.
5. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) dispone de coeficientes que se adaptan según un algoritmo de conformación espectral con o sin goteo.
6. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) dispone de coeficientes que se adaptan según un algoritmo de conformación espectral con o sin goteo y/o algunas de sus variantes basadas en la función signo.
7. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) dispone de coeficientes que se adaptan según un algoritmo de conformación espectral con o sin goteo y/o algunas de sus variantes basadas en la función signo, siguiendo un esquema cíclico de adaptación secuencial en el que sólo un subconjunto de los coeficientes es adaptado en cada intervalo de muestreo.
8. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) dispone de coeficientes que se adaptan según un algoritmo de conformación espectral implementado mediante una recursión de Gauss- Newton.
9. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro constituido por un filtro analógico (11) que selecciona la banda de frecuencias de la señal de entrada, un primer conversor de frecuencia (12) que de forma opcional traslada la frecuencia de la señal a otra frecuencia llamada frecuencia intermedia de procesado, un conversor analógico/digital (13) que convierte la señal analógica a digital, un filtro digital adaptativo (14), un conversor digital/analógico (15) que convierte nuevamente la señal en analógica, y un segundo conversor de frecuencia (16) que de forma opcional traslada la señal a otra banda de frecuencia, caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) conforma el espectro de la señal de forma adaptativa para ajustarlo a un espectro de referencia.
10. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicación 9 caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) que conforma el espectro de la señal de forma adaptativa actúa sobre las muestras de la señal en frecuencia intermedia (frecuencia intermedia de procesado).
11. Sistema de procesado de señales para conformación de espectro según reivindicación 9 caracterizado porque el filtro digital adaptativo (14) que conforma el espectro de la señal de forma adaptativa actúa sobre las muestras de la señal en banda base mediante muestreo de sus componentes en fase y en cuadratura.
12. Repetidor de señales de telecomunicación, constituido por al menos una antena receptora (41) y una antena transmisora (42), un filtro de canal (43), un mezclador (44), un oscilador local (45), un filtro de onda superficial (46), unos amplificadores de frecuencia intermedia (47) y (48), un detector (49), un atenuador (411), un mezclador (412), un oscilador local (413), un filtro de canal (414) y un amplificador de salida (415) caracterizado porque incorpora un sistema de procesado de señales para conformación de espectro (1) como el definido en las reivindicaciones anteriores y que no requiere conversión analógico-digital de la señal obtenida tras el amplificador de salida (415).
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