ES2307087T3 - Procedimiento de marcacion de alta resolucion con sensorica de marcacion de banda ancha fft. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de marcación de alta resolución con minimización adaptativa de la potencia de cálculo necesaria para sistemas de marcación de banda ancha basados en FFT, en el que se efectúa mediante un análisis paso a paso de las distribuciones de valores propios asignadas a los canales FFT una asignación de algoritmos de marcación en sí conocidos fuertemente diferentes en complejidad de cálculo y perfil de potencia, cuya asignación se ajusta a las necesidades para el tratamiento de incidencia monoonda e incidencia multionda en los distintos canales FFT, y en el que se establecen para la selección al menos dos algoritmos diferentes en sí conocidos y éstos se diferencian, por un lado, en las capacidades ofrecidas para el tratamiento de incidencia monoonda, N=1, e incidencia multionda, N>1, y, por otro lado, en la potencia de cálculo necesaria.
Description
Procedimiento de marcación de alta resolución
con sensórica de marcación de banda ancha FFT.
La invención concierne a un procedimiento de
marcación con sensórica de marcación de banda ancha FFT. Se
consideran sistemas de marcación multicanal modernos basados en FFT
con un gran número n (valores típicos para n: 3 a 5) de receptores
de marcación de banda ancha paralelos basados en FFT. En cada
receptor de marcación se descompone la señal de recepción de banda
ancha, por medio de un banco de filtros FFT, en canales FFT de banda
estrecha. El sistema calcula para todos los canales FFT, en
paralelo y conteniendo pasos, unos valores de marcación a partir de
los datos de los n receptores de marcación. El cálculo del valor de
marcación se efectúa según procedimientos convencionales, por
ejemplo interferometría o Watson-Watt. Estos
procedimientos suministran un resultado de marcación por cada canal
FFT en el que se recibe energía de señal. Al aumentar los anchos de
banda simultánea y mantenerse inalteradamente altos los requisitos
impuestos a la resolución FFT, son necesarias para ello, con
tendencia creciente, altas potencias de proceso. La potencia de
cálculo necesaria en cada canal FFT corresponde aquí a la de un
sistema de marcación convencional de banda estrecha.
Los procedimientos empleados para el cálculo de
valores de marcación son insuficientes cuando se superponen
espectralmente varias ondas de direcciones de incidencia diferentes
en el lugar de recepción y no es posible una separación por
filtrado en frecuencia y tiempo. Esto ocurre en diferentes campos de
aplicación (por ejemplo, captación asistida por aire con
radiohorizonte fuertemente ampliado, captación en onda corta o
captación de redes celulares) en forma de superposición de canales
iguales de varios emisores o de difusión multionda.
En tales casos de coincidencia espectral se
pueden calcular por medio de los llamados procedimientos de alta
resolución (en lo que sigue designados también abreviadamente con
HA, lo que en español se denomina generalmente superresolución)
valores de marcación correctos para las ondas individuales de la
mezcla de señales. Sin embargo, en función del procedimiento, la
red de antenas y el escenario de las señales, la potencia de cálculo
necesaria para ello es típicamente más alta en un factor de
10-100 que para los procedimientos convencionales de
cálculo de valores de marcación. Como hardware son necesarias redes
de antenas adecuadas y m canales de recepción codireccionales
(receptores de marcación de banda ancha basados en FFT) con los
cuales se procesan adicionalmente las señales de los distintos
elementos de antena. Se trata aquí de componentes en sí conocidos.
Sin embargo, el número m, que designa el número de ramales de
recepción del sistema de alta resolución, asciende típicamente a
5-10 y, por tanto, es más alto que en los marcadores
de banda ancha FFT convencionales. Con m ramales de recepción se
pueden marcar en paralelo por cada frecuencia hasta
m-1 ondas.
Por este motivo y debido a razones de costes o
de recursos, no es usual hasta ahora la aplicación de una
algorítmica de alta resolución para un marcador de banda ancha con
un elevado ancho de banda simultánea y muchos canales FFT a tratar
en paralelo.
En el documento US 5,898,402 se describe un
receptor de marcación con el cual se pueden aplicar dos algoritmos
de marcación diferentes. En el primer método se parte de la
consideración de que en todo el ancho de banda de señal se recibe
al mismo tiempo únicamente una señal. Conforme al segundo método, en
todo el ancho de banda de señal se pueden recibir también al mismo
tiempo varias señales. La banda de señal a tratar se descompone por
medio de análisis FFT en canales FFT individuales, seleccionándose
para el procesamiento adicional los canales en los que se ha
recibido la señal.
El problema de la invención consiste en ampliar
los procedimientos de marcación conocidos para una sensórica de
marcación de banda ancha basada en FFT de tal manera que también en
los casos de coincidencia espectral se puedan obtener de manera
fiable los valores de marcación de las distintas ondas de la mezcla
de señales, pudiendo aplicarse la potencia de proceso necesaria
sustancialmente por medio de los recursos de proceso utilizados en
los procedimientos de marcación de banda ancha FFT
convencionales.
Este problema se resuelve con el procedimiento
según la reivindicación 1. Realizaciones ventajosas de la invención
son objeto de reivindicaciones subordinadas.
La invención que aquí se describe resuelve este
problema por medio de un procedimiento de marcación de dos etapas
en el que están integradas una algorítmica de marcación y una
superresolución convencionales y el cual hace posible una capacidad
de marcación multionda con utilización adaptativamente optimizada de
la potencia necesaria del proceso. Los cálculos de ambas etapas del
procedimiento pueden realizarse sobre los mismos datos brutos. El
procedimiento se caracteriza porque se decide individualmente con
ayuda de un proceso de detección multionda para cada canal FFT si
es necesario o no un cálculo de valores de marcación con un
procedimiento de superresolución intenso en cálculo. Por tanto, la
selección de canales FFT para los cuales se aplica superresolución
se efectúa adaptativamente en correspondencia con la respectiva
situación actual en el escenario de las señales. Para los restantes
canales FFT se efectúa el cálculo de los resultados de marcación
según procedimientos convencionales netamente menos intensos en
cálculo, tales como, por ejemplo, los procedimientos
interferométricos en sí conocidos. De esta manera, la tecnología de
la superresolución se puede materializar eficientemente también en
combinación con una sensórica de banda ancha. La potencia necesaria
del proceso sigue siendo relativamente pequeña y está dentro del
ámbito de los procedimientos de marcación de banda ancha FFT
convencionales.
Como hardware son necesarias redes de antenas
adecuadas y canales de recepción codireccionales (receptores de
marcación de banda ancha basados en FFT - preferiblemente 5 a 10
según los escenarios de señales a esperar en una aplicación y
también más), con los cuales se procesan adicionalmente las señales
de los distintos elementos de antena. Se trata aquí de componentes
en sí conocidos.
La potencia necesaria del proceso para el
tratamiento de las señales depende, entre otros factores, de la red
de antenas empleada, de la algorítmica de superresolución utilizada
y del número de canales de recepción. Son realistas potencias de
cálculo por canal FFT de uno a dos órdenes de magnitud por encima de
la interferometría de correlación convencional, el procedimiento
más difundido en el dominio V/UHF. En el caso de una asignación
dinámica de la capacidad de procesamiento de señal disponible, esto
significa, por ejemplo, que la potencia del proceso necesaria para
el cálculo de resultados de marcación para 800 canales FFT en la
primera etapa del procedimiento sería suficiente para el cálculo en
8-80 canales FFT de la segunda etapa con un
procedimiento de superresolución.
El procedimiento según la invención es de
importancia especialmente para su utilización asistida por aire. La
densidad de ocupación espectral durante la recepción es allí alta.
El radiohorizonte está fuertemente ampliado y el alcance de
captación se ha incrementado en medida correspondiente. Sin embargo,
como consecuencia de esto se presentan ocupaciones múltiples que
impiden la captación capaz en distancia de especialmente señales
débiles, ya que éstas son enmascaradas por señales más fuertes. Por
este motivo, la capacidad de separación de señales en caso de
ocupación múltiple es irrenunciable, pero a bordo de plataformas
asistidas por aire tiene que poder trabajarse con potencia limitada
del proceso. La invención proporciona para ello un procedimiento
adecuado que resuelve el problema descrito de lo recurso respecto de
la potencia del proceso.
La invención hace posible la utilización
cuasiparalela de procedimientos convencionales y de alta resolución
empleando recursos de hardware comúnmente utilizados. Ambos
procedimientos pueden realizarse con los mismos valores de
exploración de las señales de antena. Los datos brutos son
archivados transitoriamente para ello. Aparte del ahorro de
recursos, otra ventaja del procedimiento según la invención frente a
un sistema separado de superresolución en banda ancha y en banda
estrecha con comandado del sistema de superresolución en
funcionamiento dependiente (funcionamiento dependiente =
funcionamiento secuencial de dos sistemas, en el que el sistema de
banda ancha instruye al sistema de banda estrecha) puede verse en
que no se presentan ningún desfase temporal con pérdida del
segmento de señal correspondiente. La superresolución está definida
como funcionalidad adicional puramente en términos de software
dentro del procedimiento según la invención.
Debido a la asignación dinámica de recursos se
hace posible una adaptación a la respectiva situación de captación
actual y se minimiza la potencia de cálculo que se ha de mantener
preparada en el sistema.
La cadena completa de dos etapas del proceso es
automatizable.
No solo se hace que se puedan marcar señales
superpuestas, sino que éstas, después de un filtrado selectivo en
espacio, estén disponibles también para el tratamiento adicional; se
hace que se puedan detectar señales débiles enmascaradas por señales
más fuertes.
Se explica la invención con más detalle haciendo
referencia a un ejemplo de realización concreto. Los dos diagramas
de desarrollo según la figura 1 y la figura 2 muestran el desarrollo
conforme a la invención en la primera etapa de procesamiento
(figura 1) y en la etapa de procesamiento subsiguiente (figura 2)
para cada canal FFT.
El desarrollo según la figura 1 representa el
procedimiento de selección para obtener canales FFT para los cuales
deban utilizarse los algoritmos de alta resolución intensos en
potencia de cálculo (como se representa en la figura 2 siguiente).
Para la selección de estos canales FFT se calculan las
distribuciones de valores propios de las matrices de covarianza y
se analizan éstas respecto de rasgos característicos para la
indicación multionda. Asimismo, en el desarrollo representado en la
figura 1 se generan ya los valores de marcación para los canales
FFT para los cuales el análisis no indica ninguna incidencia
multionda y en los que, por tanto, se detecta incidencia monoonda.
Para el cálculo de estos valores de marcación se pueden utilizar
algoritmos convencionales con menor demanda de potencia de cálculo
(por ejemplo, algoritmo de interferometría o de formación de
haz).
Los pasos de procesamiento de señal ilustrados
en la figura 1 tienen conjuntamente el objetivo de iniciar el
desarrollo según el diagrama de la figura 2 - que se efectúa con una
potencia del proceso necesaria netamente mayor - solamente para los
canales FFT que presentan una indicación elevada para incidencia
multionda. Por tanto, para la totalidad de los canales FFT a
procesar se obtienen según el modo de proceder escalonado de la
figura 1 y la figura 2 unos resultados de marcación con el mismo
contenido declarativo completo que, alternativamente, se podría
lograr tan sólo mediante la utilización de los algoritmos HA para
todos los canales FFT, pero para lo cual tendría que utilizarse un
coste de cálculo considerablemente mayor. Para los canales FFT en
los que se presenta solamente incidencia monoonda, el procedimiento
suministra también información adicional en comparación con una
simple aplicación de una algorítmica convencional, ya que se
confirma con el procedimiento la fiabilidad de la determinación de
valores de marcación. Sin esta confirmación resultaría poco clara
para los distintos valores de marcación el grado en que éstos podría
ser falseados por una incidencia multionda.
Después de recorrer los pasos de cálculo
representados en la figura 1 se presentan resultados de marcación
que representan ya el resultado final para los canales FFT en los
que se detectó incidencia monoonda. Asimismo, se presenta una lista
con canales FFT en los que es probable una incidencia multionda y
los cuales, por ese motivo, han de ser tratados adicionalmente, es
decir, según el desarrollo representado en la figura 2.
Respecto del desarrollo según la figura 1, se
hace observar en particular lo siguiente: Como datos brutos para el
cálculo de valores de marcación están disponibles las tensiones de
antena complejas de los distintos elementos de antena. A través de
FFT se generan a partir de estas señales de banda ancha las señales
correspondientes de banda estrecha para cada canal FFT. Éstas
forman los datos de partida para el modo de proceder paso a paso
que se explica a continuación. En primer lugar, se realiza una
comprobación de ocupación para cada canal FFT. El canal considerado
se sigue estimando como candidato posible para un procedimiento HA
únicamente cuando la SNR (relación de señal a ruido) esté por
encima de un valor umbral prefijado. El valor umbral se deriva del
requisito de que, en el caso de una incidencia multionda realmente
presente, se deberá conseguir a partir del restante procesamiento
de señal HA una calidad suficientemente buena de los resultados.
Además, se trata de reconocer una probabilidad
elevada para incidencia multionda en los distintos canales FFT
(indicación multionda). A este fin, se evalúan las características
de la distribución de valores propios derivada de la matriz de
covarianza. Se tienen que separar para ello valores propios de señal
y de ruído o se tiene que detectar si la distribución de valores
propios contiene solamente un valor propio de señal (incidencia
monoonda) o bien más de un valor propio de señal (incidencia
multionda). Este problema se puede resolver por medio de valores
umbral específicos del dominio de frecuencia y de la
instalación.
Todos los canales que deban ser examinados según
los criterios anteriores con la segunda etapa más compleja del
procedimiento (figura 2) se registran en una lista de pedidos
HA.
Los pasos de procesamiento de la algorítmica de
marcación de alta resolución que son intensos en potencia de
cálculo están contenidos en el diagrama de desarrollo según la
figura 2. Éstos se realizan solamente todavía para los canales FFT
que, según el desarrollo representado en la figura 1, se han
registrado en la lista de pedidos HA. Respecto de la potencia de
cálculo necesaria para el tratamiento según la figura 2, está en
primer lugar con clara distancia el bloque de procesamiento
"cálculo de valores de marcación con algorítmica HA". La
estimación de número previamente necesaria en el desarrollo se
asienta sobre las distribuciones de valores propios ya obtenidas en
la figura 1. Mientras que en la primera etapa del procedimiento
según la figura 1 se detecta únicamente si en la distribución de
valores propios de un canal FFT está presente más de un valor
propio de señal, se determina ahora más exactamente su número i>1
(estimación de número).
La estimación de números se descompone en dos
pasos. En el primer caso se capta la estructura individual de la
distribución de valores propios mediante una comparación de patrones
con evoluciones características de las curvas de referencia, y en
el segundo paso se determinan parámetros de curvas y se deriva a
partir de ellos el número de ondas que contribuyen a la energía en
el canal FFT. El número de valores propios que, ordenados por
magnitud, forman la distribución de valores propios asignada a un
canal FFT individual, es igual al número de elementos de antena de
la disposición de antena utilizada. Las distribuciones de valores
propios pueden caracterizarse por medio de rasgos estructurales
característicos y asignarse con ayuda de patrones de referencia a
clases diferentes. Patrones de referencia típicos a reconocer son,
por ejemplo, evoluciones de curvas con gran diferencia entre valor
propio máximo y valor propio mínimo y con un claro salto entre dos
valores propios j y j+1. Otra clase de referencia está representada
por evoluciones de curvas con caída uniforme sin lugar de salto
apreciable. Nuevamente, otra clase describe evoluciones de curvas
con sólo pequeñas diferencias entre valores propios máximo y
mínimo. Las curvas de referencia son específicas de la instalación y
del dominio de frecuencia y tienen que obtenerse por vía
experimental.
Las evoluciones de las curvas de las distintas
clases de referencia permiten la determinación de parámetros a
partir de los cuales se puede derivar el número de ondas
contribuyentes. Esto se realiza a continuación, para la estimación
del número, en el segundo paso de tratamiento.
Si se confirma para un canal FFT la indicación
multionda detectada según la figura 1 por medio del resultado de la
estimación de número, el número obtenido de ondas reconocidas
representa entonces un parámetro de instrucción absolutamente
necesario para el cálculo de valores de marcación HA. Por el
contrario, si la estimación de número no confirma la indicación
multionda para un canal FFT y conduce a la declaración de que, en
contra de la indicación multionda obtenida según la figura 1, la
energía detectada proviene solamente de una única onda, se
interrumpe el restante cálculo HA y se calcula el valor de marcación
correspondiente como en la figura 1 con una algorítmica
convencional. Si esto ocurriera en muchos canales FFT, se
necesitaría entonces una potencia de cálculo relativamente alta,
sin que se calculen valores de marcación con una algorítmica de alta
resolución. En aplicaciones en las que es crítica la potencia de
cálculo como consecuencia de limitaciones de carga útil y/o del
requisito de un procesamiento que contenga pasos, es necesaria una
concentración lo más estrecha posible de la potencia de cálculo
disponible en canales FFT en los que solamente el cálculo de valores
de marcación HA pueda suministrar resultados fiables. Por ese
motivo, el objetivo del procesamiento según la figura 1 es mantener
esta proporción lo más alta posible haciendo que la incidencia
multionda sea reconocida ya en los pasos de tratamiento de la
figura 1 en la forma más fiables que sea posible.
Para todos los canales en los que se confirma
que i>1, se realiza entonces el cálculo de valores de marcación
de alta resolución. Para cada uno de los canales FFT seleccionados
se calcula el número de valores de marcación correspondiente al
resultado de la estimación de números. Dado que la potencia de
cálculo necesaria para ello por cada canal FFT depende del número
de valores de marcación a calcular, la estimación de número
proporciona también consignas para realizar un control eficiente de
la potencia de cálculo que se ha de proporcionar, especialmente
cuando la potencia de cálculo es proporcionada por unidades de
cálculo distribuidas.
Los valores de marcación obtenidos permiten a
continuación, según la situación del pedido, la instrucción de la
algorítmica para el filtrado selectivo en espacio (copia de señal)
de emisiones seleccionadas. Se trata aquí de una formación de haz
digital en la que el lóbulo principal es orientado en la dirección
de la señal diana deseada, mientras que en la dirección de las
señales parásitas superpuestas se forman puntos nulos del diagrama
de antena. Una vez efectuada la separación de señales, las señales
filtradas en espacio están disponibles entonces para su
procesamiento adicional (clasificación, desmodulación, etc.).
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Claims (6)
-
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1. Procedimiento de marcación de alta resolución con minimización adaptativa de la potencia de cálculo necesaria para sistemas de marcación de banda ancha basados en FFT, en el que se efectúa mediante un análisis paso a paso de las distribuciones de valores propios asignadas a los canales FFT una asignación de algoritmos de marcación en sí conocidos fuertemente diferentes en complejidad de cálculo y perfil de potencia, cuya asignación se ajusta a las necesidades para el tratamiento de incidencia monoonda e incidencia multionda en los distintos canales FFT, y en el que se establecen para la selección al menos dos algoritmos diferentes en sí conocidos y éstos se diferencian, por un lado, en las capacidades ofrecidas para el tratamiento de incidencia monoonda, N=1, e incidencia multionda, N>1, y, por otro lado, en la potencia de cálculo necesaria. - 2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la generación de los valores de marcación se efectúa en dos etapas del procedimiento:- generación de datos brutos y comprobación de los distintos canales FFT en cuanto a indicación multionda por cálculo y análisis de la distribución de valores propios, y cálculo subsiguiente de los valores de marcación para canales FFT sin indicación multionda con aprovechamiento de algoritmos de marcación en sí conocidos para incidencia monoonda;- para los canales FFT para los cuales se presenta una indicación multionda a consecuencia de una primera etapa del procedimiento, se efectúa un cálculo de los valores de marcación con algoritmos de marcación de alta resolución en sí conocidos y adecuados para incidencia multionda.
- 3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la primera etapa del procedimiento se desarrolla en los pasos siguientes:- recepción de la señal de recepción de banda ancha con varios receptores de marcación de banda ancha paralelos con procesamiento de señal digital,- descomposición espectral de la señal de recepción de banda ancha en canales FFT de banda estrecha en los distintos receptores de marcación de banda ancha,- formación de la matriz de covarianza y cálculo de las distribuciones de valores propios para los distintos canales FFT,- análisis de las distribuciones de valores propios y determinación de los canales FFT con indicación multionda y de los canales FFT sin indicación multionda, así como selección de los canales FFT que se alimentan a la segunda etapa subsiguiente del procedimiento,- cálculo de los valores de marcación para canales FFT sin indicación multionda aprovechando algoritmos de marcación en sí conocidos para incidencia monoonda.
- 4. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la segunda etapa del procedimiento se desarrolla en los pasos siguientes, específicamente tan solo para los canales FFT que se seleccionaron en la primera etapa del procedimiento:- determinación del número de ondas superpuestas por cada canal FFT mediante- asignación de la distribución de valores propios a una clase de referencia por reconocimiento de patrones de formas características de la evolución de las curvas,- separación de valores propios de señal y de ruido con evaluación de parámetros - específicos de la clase de referencia - de la distribución de valores propios para determinar el número N de contribuciones de energía marcables separables selectivamente en dirección, determinándose en el análisis de valores propios el número de valores propios de señal reconocidos por medio de valores umbral ajustables dependientes de instalaciones y escenarios,- cálculo de los valores de marcación con algoritmos de marcación de alta resolución, obteniéndose por cada canal FFT tantos valores de marcación como estén prefijados por la respectiva estimación de número anteriormente realizada.
- 5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque en ambas etapas del procedimiento se recurre a los mismos datos brutos de señal para la determinación de valores de marcación.
- 6. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque se deriva de los pasos del procedimiento de análisis de valores propios y de estimación de número una información de control para el procesamiento en paralelo de varios canales FFT en una unidad de cálculo en paralelo, a cuyo fin se tiene en cuenta la dependencia de la complejidad de cálculo respecto del valor de la magnitud N, así como de otros parámetros específicos para la instalación y el escenario.
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