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.
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.
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.
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.
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.
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:
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
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:
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:
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:
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:
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.
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.
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:
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:
forma:
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:
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:
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.
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:
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.
- 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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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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