IT202100007325A1 - Metodo di modulazione e di demodulazione di un flusso di dati per la sua ricetrasmissione mediante un segnale di trasmissione - Google Patents

Description

METODO DI MODULAZIONE E DI DEMODULAZIONE DI UN FLUSSO DI DATI PER LA SUA RICETRASMISSIONE MEDIANTE UN SEGNALE DI TRASMISSIONE.

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un metodo di modulazione e di demodulazione di un flusso di dati, per la sua ricetrasmissione mediante un segnale di trasmissione.

In particolare, tale metodo di modulazione e di demodulazione ? particolarmente adatto per permettere la trasmissione del suddetto flusso di dati in scenari di comunicazione spaziale o da satellite a terra e viceversa.

Infatti, ? noto che questi scenari di comunicazione sono generalmente caratterizzati da un alto livello di doppler (dovuto all'elevata velocit? relativa), da un elevato doppler rate (soprattutto in corrispondenza di un?orbita terrestre bassa di un satellite rispetto alla terra) e da un'elevata attenuazione dovuta alle lunghe distanze nello spazio libero.

Ad oggi esistono numerose soluzioni, tra loro alternative, per implementare tali tipologie di scenari di comunicazione, ciascuna delle quali presenta alcuni inconvenienti.

Le principali tecniche di trasmissione di segnali disponibili sul mercato, per il suddetto scenario di comunicazioni, sono le soluzioni note come NBIoT, LoRa (LoRaWAN), LoRa-E e Sigfox.

Ognuno di esse ? di tipo proprietario e tutte, tranne LoRa, sono del tipo cos? detto in gergo ?narrowband?.

Tra tutte, la tecnica di modulazione LoRa ? una soluzione interessante in quanto ? una soluzione cos? detta in gergo tecnico ?Chirp Spread-Spectrum? ed utilizza un dispositivo modulatore/demodulatore di ricetrasmissione composto da componenti facilmente reperibili nel mercato a basso costo.

Tuttavia, anche tale tecnica, seppur sembri essere una delle pi? interessanti per l?implementazione di comunicazioni spazio-terra o spaziali, presenta alcuni importanti inconvenienti.

Primo su tutti, la tecnica di modulazione a spettro espanso LoRa (LoRa Spread-Spectrum modulation) ? progettata per ambienti con ridotto offset di frequenza e un doppler rate limitato.

Infatti, tale tecnica di modulazione LoRa ? stata sviluppata principalmente per ambienti terrestri (a bassa mobilit?). Di conseguenza, in caso di elevato doppler rate, l?affidabilit? di estrazione delle informazioni dal segnale di trasmissione potrebbe essere alquanto ridotta.

Le tecniche di modulazione Frequency Hop Spread Spectrum hanno lo svantaggio di una notevole incapacit? di mitigare le interferenze di banda, determinando una comunicazione poco affidabile. Fondamentalmente, ad eccezione del meccanismo FHSS, la modulazione ? completamente non resiliente alle interferenze aliene. Lo stesso si pu? dire per quanto riguarda l'autointerferenza: in caso di collisione di pacchetti, le loro informazioni andrebbero perse.

Ancora pi? in dettaglio, relativamente alla tecnica di modulazione LoRa per sua natura, svantaggiosamente, prevedendo che l?informazione trasmessa assuma la forma di un offset di frequenza rispetto all?up-chirp, eventuali effetti Doppler sul segnale ricevuto, influenzano pesantemente la possibilit? di demodulare correttamente il segnale ricevuto.

Ulteriormente, ancora svantaggiosamente, con la tecnica LoRa non ? possibile determinare e compensare in modo distinto eventuali offset di frequenza, dovuti per esempio ai suddetti effetti doppler, da disallineamenti nel tempo del simbolo originalmente trasmesso.

Per questa ragione LoRa introduce simboli di down-chirp nel preambolo di sincronizzazione.

In altri termini, con l?utilizzo della tecnica di modulazione LoRa, un disallineamento nel tempo e un offset di frequenza determinano entrambi lo stesso tipo di trasformazione nella caratteristica frequenza-tempo. Ancora, le traslazioni orizzontali e verticali risultano in qualche modo equivalenti e non distinguibili.

La presente invenzione intende superare tutte le limitazioni e gli inconvenienti indicati.

In particolare, ? uno scopo dell?invenzione proporre un metodo di modulazione e demodulazione che consenta di rendere l?estrazione dell?informazione trasmessa mediante un segnale di trasmissione modulato, immune da eventuali traslazioni in frequenza dovuti a effetti doppler o a qualsiasi altro fenomeno fisico che causa tale traslazione durante la trasmissione.

Un altro scopo dell?invenzione consiste nel proporre un metodo di modulazione e demodulazione che permetta di discriminare e compensare in modo totalmente indipendente le traslazioni di frequenza del segnale e i disallineamenti nel tempo del simbolo trasmesso.

E? altres? scopo dell?invenzione proporre un metodo di modulazione e demodulazione che sia implementabile mediante un ricetrasmettitore economico disponibile sul mercato.

Altres?, ? scopo dell?invenzione proporre un metodo di modulazione e demodulazione che consenta di implementare la demodulazione del segnale di trasmissione ricevuto mediante componenti a basso costo. I suddetti scopi, assieme ai vantaggi che verranno menzionati in seguito, saranno evidenziati durante la descrizione di alcune preferite forme esecutive dell?invenzione che vengono date, a titolo indicativo ma non limitativo, con riferimento alle tavole di disegno allegate, dove:

- in fig. 1 ? rappresentato un segnale di trasmissione ottenuto con il metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 2 ? presentato un primo esempio di un simbolo ottenibile con il metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 3 ? presentato un secondo esempio di un simbolo ottenibile con il metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 4 ? presentato un terzo esempio di un simbolo ottenibile con il metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 5 ? presentato un quarto esempio di un simbolo ottenibile con il metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 6 ? presentato un esempio di alfabeto di simboli ottenibile con il metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 7 ? rappresentato lo schema a blocchi di un primo metodo di demodulazione dell?invenzione;

- in fig. 8 ? rappresentato un blocco di comparazione utilizzato dai metodi di demodulazione dell?invenzione;

- in fig. 9 ? rappresentato lo schema a blocchi di un secondo metodo di demodulazione dell?invenzione;

- in fig. 10 ? rappresentato lo schema a blocchi di un metodo dell?invenzione per la determinazione del CFO del simbolo da demodulare;

- in fig. 11 ? rappresentato lo schema a blocchi di un metodo dell?invenzione per la determinazione del STO del simbolo da demodulare;

- in fig. 12 ? presentato un esempio di una costellazione espansa di simboli ottenibile con un metodo di modulazione dell?invenzione;

- in fig. 13 ? rappresentato lo schema a blocchi di un terzo metodo di demodulazione per costellazione espansa dell?invenzione.

Il metodo dell?invenzione ? relativo ad una tecnica di modulazione e di demodulazione di un flusso di dati, per la trasmissione del suddetto flusso di dati come segnale di trasmissione, indicato in fig. 1 con 1, attraverso mezzi trasmissivi ad onde irradiate.

In particolare, l?utilizzo di tale metodo dell?invenzione ? particolarmente adatto per la trasmissione di un flusso di dati in scenari di comunicazione spaziale o da satellite a terra e viceversa, questi ultimi caratterizzati da un alto livello di doppler (dovuto all'elevata velocit? relativa), da un elevato doppler rate (soprattutto in corrispondenza di un?orbita terrestre bassa di un satellite rispetto alla terra) e da un'elevata attenuazione dovuta alle lunghe distanze nello spazio libero.

Preferibilmente, il metodo di modulazione e di demodulazione proposto ? un metodo di modulazione a spettro espanso, noto in gergo tecnico come ?Spread-Spectrum (SS) modulation?.

Vantaggiosamente, tale caratteristica permette di attuare una corretta demodulazione del segnale ricetrasmesso, eventualmente, anche in presenza di alti livelli di rumore.

Secondo l?invenzione, per rendere sostanzialmente immune la trasmissione del flusso dei dati nei confronti di fenomeni fisici avversi, come verr? specificato di seguito, il nuovo metodo di modulazione prevede di definire una sequenza di simboli 2 consecutivi, definenti il suddetto segnale di trasmissione 1, aventi un medesimo intervallo di durata T, laddove ciascun simbolo 2 rappresenta una porzione di Nb bit del flusso di dati da trasmettere.

Ciascuno dei simboli 2 ? definito dalla combinazione di un segnale up-chirp 3 di durata t1, seguito da un segnale down-chirp 4 di durata t2, come rappresentato in fig. 2, o, viceversa, dalla combinazione di un segnale down-chirp 4 di durata t2, seguito da un segnale up-chirp 3 di durata t1, come rappresentato in fig. 3, laddove per ciascun simbolo 2, la somma delle durata t1 e della durata t2 ? sempre pari al suddetto intervallo di durata T.

Inoltre, secondo l?invenzione, il codice di informazione rappresentato da ciascun simbolo 2 ? determinato dalla scelta di una delle due combinazioni sopra presentate, ovvero up-chirp 3/down-chirp 4 o, in alternativa, down-chirp 4/up-chirp 3, ed inoltre dal rapporto della durata t1 rispetto alla durata t2 all?interno dell?intervallo di durata T di ciascun simbolo 2. In altri termini, tale ultima caratteristica pu? essere espressa anche come il valore di duty cycle, ovvero il valore della durata, per esempio, t1 rispetto all?intero intervallo di durata T, tenendo sempre in considerazione che t1+t2 ? sempre uguale a T. In altri termini la somma delle due durate t1 e t2 ? sempre costante.

Preferibilmente, il valore della durata t1 del segnale up-chirp 3, secondo l?invenzione, pu? variare nell?intervallo [0:T) e, di conseguenza, il valore della durata t2 ? determinato in modo che t2 = T - t1, ovvero anche esso pu? variare nell?intervallo [0:T).

Da ci? si deduce che nell?alfabeto, o insieme, dei simboli 2 previsti dal metodo dell?invenzione, sono compresi anche i due simboli di estremit? composti rispettivamente da un segnale di up-chirp puro, ovvero con durata t1 pari all?intero intervallo T, come rappresentato in fig. 4, o all?opposto, da un segnale di down-chirp puro, ovvero con durata t2 pari all?intero intervallo T, come rappresentato in fig. 5.

Il concetto di base di tale tipologia di modulazione consiste nel fatto che la rappresentazione della banda base di un segnale sia una funzione esponenziale complessa, la cui fase sia continua e l?ampiezza sia costante. Qui di seguito viene presentata la funzione che rappresenta ciascun simbolo 2 ottenuto con il metodo di modulazione dell?invenzione:

Il metodo dell?invenzione prevede chiaramente che il codice di informazione rappresentato da ciascun simbolo 2 sia compreso tra un insieme di codici di informazione di numero pari a 2<Nb>.

In particolare, preferibilmente, la codifica utilizzata per tali codici di informazione ? la codifica di tipo Gray. Ci?, vantaggiosamente ed evidentemente, consente di associare a codici vicini, simboli 2 appartenenti al segnale di trasmissione 1 tra loro simili. In altri termini, un eventuale disallineamento, una traslazione in frequenza oppure la presenza di rumore del simbolo 2 ricevuto, determina la rilevazione di un codice di informazione vicino al codice di informazione realmente inviato.

Non ? escluso, tuttavia, che secondo differenti forme esecutive del metodo dell?invenzione, la codifica utilizzata sia una codifica di tipo naturale.

Per quanto riguarda il segnale di up-chirp 3 di ciascun simbolo 2, esso ? un segnale la cui frequenza risulta linearmente crescente da un valore minimo di frequenza fL ad un valore massimo di frequenza fH all?interno della larghezza di banda BW predefinita, equamente distanziati dalla frequenza centrale fC della suddetta larghezza di banda BW, mentre per quanto riguarda il segnale di down-chirp 4 di ciascun simbolo 2, esso ? un segnale la cui frequenza risulta linearmente decrescente dal suddetto valore massimo di frequenza fH al valore minimo di frequenza fL.

Per concludere la descrizione delle caratteristiche principali del metodo di modulazione e di demodulazione dell?invenzione fin qui trattate, si presenta in fig. 6 un esempio dei simboli 2 appartenenti ad un alfabeto, o insieme, di simboli definiti secondo il metodo di modulazione dell?invenzione, scegliendo il valore Nb pari a 3 bit e laddove la frequenza centrale fC della banda BW ? scelta pari a 0, la larghezza di banda BW ? normalizzata a 1 (pertanto il range di frequenza va da [-0.5 a 0,5]), l?intervallo di durata T di ogni simbolo ? normalizzato a 1 ed, inoltre, laddove i codici di informazione sono codificati secondo una codifica Gray.

Poich? nel caso del metodo dell?invenzione, le informazioni da trasmettere sono codificate in base al suddetto rapporto tra la durata t1 del segnale up-chirp 3 e la durata t2 del segnale down-chirp 4, oltre che dalla scelta dell?ordine tra i suddetti due segnali, e, all?opposto, non ? codificato in base alla traslazione in frequenza, come invece accade per la tecnica LoRa, vantaggiosamente, con lo stesso metodo dell?invenzione ? possibile ottenere due importanti benefici:

- l?informazione trasmessa mediante un segnale di trasmissione 1 modulato con tale tecnica innovativa qui proposta, risulta immune da eventuali traslazioni in frequenza dovuti ad effetti doppler o a qualsiasi altro fenomeno fisico che causa tale traslazione durante la trasmissione;

- vi ? la possibilit? di discriminare e compensare in modo totalmente indipendente le traslazioni di frequenza del segnale di trasmissione 1 e i disallineamenti nel tempo del simbolo trasmesso;

In particolare, per quanto riguarda quest?ultimo importante aspetto, il metodo di modulazione dell?invenzione ci permette di considerare ulteriori due aspetti.

Da un lato, il metodo dell?invenzione consente di discriminare e compensare in modo indipendente uno dall?altro, sia le eventuali traslazioni di frequenza del segnale (CFO - Carrier Frequency Offset), sia di tracciare il disallineamento nel tempo del simbolo (STO ? Symbol Timing Offset), preferibilmente con la tecnica descritta di seguito.

Inoltre, dall?altro lato, tale caratteristica peculiare del metodo di modulazione dell?invenzione, consente di modulare il segnale di trasmissione 1, oltre nelle modalit? descritte poc?anzi, anche mediante una modulazione di fase.

A tal proposito, il metodo di modulazione dell?invenzione presenta un'importante propriet? matematica. Considerando che la fase finale di ciascun simbolo 2 ? pari a:

laddove T ? la durata temporale dell?intervallo di ogni simbolo 2 e fC ? la frequenza centrale del segnale.

Nel caso si scelga fC pari a 0, la fase iniziale e finale del simbolo 2 corrispondono.

Tale caratteristica permette di aggiungere una modulazione in fase del simbolo 2 da trasmettere e tale modulazione risulta indipendente dalla modulazione in frequenza, o meglio le due modulazioni possono essere demodulate in modo indipendente una volta ricevuto il simbolo 2 trasmesso.

Questa ulteriore vantaggiosa caratteristica del metodo di modulazione dell?invenzione, consente di aggiungere una ulteriore informazione al simbolo 2 trasmesso, oltre al codice di informazione definito mediante la scelta dell?ordine dei segnali di up-chirp 3/down-chirp 4 e del rapporto tra le loro durate t1/t2.

Ancora pi? in dettaglio, la suddetta modulazione in fase potrebbe essere di tipo differenziale, ovvero la variazione di fase tra due simboli 2 adiacenti o pu? essere di tipo assoluto per ogni singolo simbolo 2.

Un ulteriore aspetto dell?invenzione riguarda le metodologie di demodulazione individuate per demodulare in modo ottimo o subottimo i segnali di trasmissione 1 modulati secondo il metodo di modulazione dell?invenzione sopra descritto.

Per inciso, prima di iniziare in modo dettagliato la descrizione dei suddetti metodi di demodulazione proposti, si vuole evidenziare che tali metodi potrebbero essere utilizzati, vantaggiosamente, anche per la demodulazione di segnali di trasmissione modulati secondo tecniche di modulazioni dissimuli da quella proposta con la presente invenzione, ottenendo comunque importanti vantaggi tecnici in termini di riduzione della complessit? computazionale per la demodulazione di tali segnali.

Per tale motivo, i metodi di demodulazione a breve proposti, potrebbero essere oggetto di rivendicazione, indipendentemente dal metodo di modulazione dell?invenzione sopra descritto.

Ci? detto, un primo metodo di demodulazione dell?invenzione, che pu? essere definito in gergo tecnico di tipo ?ottimo?, e il cui schema a blocchi 200 ? rappresentato in fig. 7.

Il concetto di base di tale metodo, e di conseguenza del demodulatore configurato per attuarlo, consiste, per ciascun simbolo 2 ricevuto, nell?eseguire in parallelo la sua comparazione con tutti i possibili 2<Nb >simboli ricevibili in ingresso, in modo da individuare, tra tutti tali 2<Nb >simboli ricevibili, il simbolo che effettivamente ? stato ricevuto.

A tale scopo, in fig. 8 ? riportato il singolo blocco computazionale 100 di comparazione, inserito e ripetuto pi? volte in parallelo nello schema a blocchi 200 di fig. 7, in modo da poter eseguire la suddetta comparazione per ciascun simbolo potenzialmente ricevibile.

Nel dettaglio, tale metodo di demodulazione prevede, per ciascun simbolo 2 da demodulare, appartenente al segnale di trasmissione 1 ricevuto, di generare parallelamente tutti i simboli rappresentanti tutti i codici di informazione 2<Nb >trasmissibili. In particolare ognuno dei suddetti simboli ? rappresentato dall?equazione (1) sopra presentata. Tale fase di generazione per un singolo blocco 100 ? rappresentata in fig. 8 dal blocco indicato con il numero 101.

A questo punto il metodo di demodulazione prevede di calcolare parallelamente per ciascuno dei simboli generati il complesso coniugato, come indicato dal blocco 102 di fig. 8.

Successivamente, ? previsto di moltiplicare parallelamente il simbolo 2 da demodulare per il complesso coniugato di ciascuno di detti simboli generati, come indicato dal blocco 103.

In particolare, tale operazione di moltiplicazione viene attuata per ciascun campione del simbolo 2 ricevuto in ingresso, e i risultati di tali operazioni vengono sommati tra loro all?interno della finestra temporale di un simbolo, come indicato dal blocco logico 104 di fig. 8, al fine di ottenere un valore medio dei risultati di tale operazione.

A questo punto, il metodo prevede di determinare parallelamente, per ciascuna delle operazioni di moltiplicazione, il valore di ampiezza del segnale risultante. Nell?esempio di fig. 8, tale segnale risultante ? indicato con 105 in uscita dal blocco 104.

Infine, il primo metodo di demodulazione dell?invenzione prevede di identificare come simbolo 2 da demodulare, il simbolo generato che ha determinato il valore di ampiezza pi? elevato tra tutti i valori di ampiezze determinati. La suddetta fase di identificazione ? rappresentata in fig. 7 dal blocco logico indicato con il numero 201. La logica alla base di tale primo metodo di demodulazione, consiste nel fatto che secondo la teoria dei segnali, il prodotto di un segnale complesso moltiplicato per il proprio complesso coniugato ? pari ad un segnale risultante con ampiezza pari al quadrato del segnale di partenza, mentre lo stesso segnale moltiplicato per il complesso coniugato di un segnale sfasato dal primo, da come risultato un segnale complesso con ampiezza media sicuramente inferiore al suddetto primo prodotto.

La componente del segnale ricevuto costituita da rumore, risulta incorrelata con il segnale, quindi la sua energia viene ridotta e ripulita tra i diversi codici.

Pertanto, partendo dal presupposto che non si conosce a priori il simbolo 2 ricevuto in ingresso da demodulare, il prodotto presentante il valore di ampiezza pi? elevato, rappresenta il simbolo, tra tutti i simboli generati, che effettivamente ? stato ricevuto.

Il suddetto primo metodo di demodulazione proposto, evidentemente presenta una complessit? computazionale pari a 2<Nb >? O(100) = O(2<Nb >? 2<Nb>) = O(2<2Nb>), laddove per O(100) si intende la complessit? computazionale che richiede ciascun blocco 100.

Infine, per quanto riguarda tale primo metodo di demodulazione, un ricevitore configurato per attuarlo pu? essere preferibilmente implementato mediante tecnologia FPGA o ASIC.

Un secondo metodo di demodulazione alternativo a quello appena proposto, sempre facente parte dell?invenzione, ha lo scopo di ridurre la complessit? computazionale, attuando l?identificazione del suddetto simbolo ricevuto in ingresso mediante due o pi? interazioni consecutive.

In particolare, un esempio di tale metodo, il cui schema a blocchi 300 ? rappresentato in fig. 9, prevede, per ciascun simbolo 2 da demodulare, appartenente al segnale di trasmissione 1 ricevuto, di suddividere gli Nb bit che ciascuno simbolo rappresenta in un primo sotto-gruppo di Nbps bit ed un secondo sotto-gruppo di Nbms = Nb ? Nbps bit. Si evidenzia che anche nello schema 300 di fig. 9, ciascun blocco 100 rappresenta il blocco di fig. 8.

A questo punto il suddetto secondo metodo prevede di generare parallelamente, tra tutti i simboli rappresentanti i codici di informazione 2<Nb >trasmissibili, primi simboli rappresentanti gli 2<Nbps >codici di informazione, tra loro distinti, considerando e variando esclusivamente gli Nbps bit pi? significativi dei Nb bit di ciascuno di detti codici di informazione.

Successivamente, il metodo prevede di calcolare parallelamente per ciascuno di tali primi simboli generati, il complesso coniugato e prevede di moltiplicare parallelamente il simbolo 2 da demodulare per il complesso coniugato di ciascuno dei primi simboli generati.

Pi? precisamente, anche in questo caso, tale operazione di moltiplicazione prevede di moltiplicare ciascun campione del simbolo ricevuto in ingresso con i corrispettivi campioni di ciascun primo simbolo generato e i risultati di tali operazioni vengono sommati tra loro, come logicamente indicato dal blocco 104 in fig. 8, al fine di ottenere un valore medio dei risultati di tale operazione di moltiplicazione.

Una volta eseguite le operazioni di moltiplicazione in parallelo per tutti i suddetti 2Nbps primi simboli generati, il metodo prevede di determinare parallelamente per ciascuna di dette operazioni di moltiplicazione il valore di ampiezza del segnale risultante.

Infine, il metodo di demodulazione prevede di identificare come probabile simbolo da demodulare, il simbolo tra i primi simboli generati, che ha determinato il valore di ampiezza pi? elevato tra tutti i valori di ampiezze determinati.

Tale operazione ? indicata dal blocco logico 301 in fig. 9.

Successivamente, viene eseguita una seconda interazione, rappresentata dalla freccia 302 in fig. 9, che prevede di generare parallelamente secondi simboli rappresentanti tutti i codici di informazione 2<Nbms >aventi gli Nbps bit pi? significativi corrispondenti al probabile simbolo da demodulare individuato con la prima interazione.

La suddetta generazione dei secondi simboli ? attuata, in particolare, considerando e variando esclusivamente gli Nbms bit meno significativi tra gli Nb bit di ciascuno dei codici di informazione.

Anche in corrispondenza di tale seconda interazione, il metodo prevede di calcolare parallelamente per ciascuno dei secondi simboli generati il complesso coniugato e di eseguire in parallelo le moltiplicazioni tra il simbolo da demodulare per il complesso coniugato di ciascuno dei secondi simboli generati, nella modalit? sopra descritta.

Ulteriormente il metodo prevede di determinare parallelamente per ciascuna delle operazioni di moltiplicazione il valore di ampiezza del segnale risultante ed, infine, di identificare come simbolo 2 da demodulare, il simbolo tra i secondi simboli generati, che ha determinato il valore di ampiezza pi? elevato tra tutti i valori di ampiezze determinati.

Tale operazione ? indicata dal blocco logico 303 di fig. 9.

Tale secondo metodo di demodulazione, a differenza del primo sopra descritto, nonostante risulti essere del tipo ?sub-ottimo?, ha il vantaggio di ridurre la complessit? computazionale pari a (2<Nbps>+2<Nbms>) ? O(100).

Non ? escluso che, alternativamente, alla suddivisione del numero Nb di bit in due sotto-gruppi, il metodo possa prevedere di suddividere tale numero di Nb bit in tre o pi? sotto-gruppi e, di conseguenza, di prevedere tre o pi? interazioni successive per l?individuazione del simbolo effettivamente ricevuto.

Vengono ora trattate ulteriori due tecniche di demodulazione le quali, vengono eseguite, secondo l?invenzione, successivamente all?identificazione di ciascuno dei simboli 2 appartenenti al segnale di trasmissione 1 ricevuto, indipendentemente dal fatto che tale identificazione venga attuata con uno o con l?altro dei due metodi di demodulazione appena descritti.

In particolare, la prima tecnica proposta qui di seguito ha lo scopo di individuare l?eventuale offset in frequenza del simbolo ricevuto, rispetto al simbolo effettivamente inviato. In altri termini, tale prima tecnica permette di determinare e quindi compensare l?eventuale presenza del cos? detto CFO (Carrier Frequency Offset) presente nel simbolo ricevuto.

La seconda tecnica proposta di seguito, diversamente, ha lo scopo di individuare l?eventuale disallineamento temporale del simbolo ricevuto rispetto al simbolo effettivamente inviato. In altri termini, tale seconda tecnica permette di determinare e quindi compensare l?eventuale presenza del cos? detto STO (Symbol Timining Offset) presente nel simbolo ricevuto.

Le suddette due tecniche, vantaggiosamente, grazie alla natura dei vari simboli appartenenti al segnale di trasmissione 1 ricevuto e modulato secondo il metodo dell?invenzione, possono essere eseguite parallelamente e in modo indipendente tra loro, in quanto gli eventuali CFO e STO non risultano correlati tra loro.

Per quanto riguarda la tecnica per la determinazione dell?CFO, come si osserva nello schema a blocchi 400 di fig. 10, essa, per ciascun simbolo 2 da demodulare, appartenente al segnale di trasmissione 1 ricevuto, prevede di moltiplicare il suddetto simbolo (blocco logico 402) per il complesso coniugato del simbolo identificato, calcolato mediante il blocco logico 401, di calcolare la FFT (Fast Fourier Transformation) del risultato di tale moltiplicazione, mediante il blocco 403 e di analizzare il risultato della FFT in modo da identificare il bin di frequenza con massima ampiezza, mediante il blocco 404.

Il suddetto bin di frequenza con massima ampiezza indentificato corrisponde all?offset di frequenza del simbolo da demodulare.

Chiaramente, nel caso in cui il simbolo da demodulare non presentasse alcun offset, il risultato della suddetta FFT corrisponderebbe ad una costante, nota in gergo tecnico BIN0, ovvero la componente dc del calcolo FFT, mentre nel caso di presenza di un offset in frequenza, il risultato di tale FFT sarebbe una sinusoide la cui frequenza corrisponde a tale offset.

La seconda tecnica per la determinazione del disallineamento temporale del simbolo, come schematizzato nello schema a blocchi 500 in fig. 11, per ciascun simbolo da demodulare appartenente al segnale di trasmissione 1, prevede di ottenere uno o pi? simboli ritardati rispetto a tale simbolo 2 da demodulare applicando a quest?ultimo dei ritardi temporali tra loro distinti. Nell?esempio di fig.

11, vi ? un unico blocco logico 501 che applica il suddetto ritardo. Inoltre, tale tecnica prevede opzionalmente anche di ottenere uno o pi? simboli (logicamente) in anticipo rispetto allo stesso simbolo 2 da demodulare, applicando a quest?ultimo degli anticipi temporali, distinti tra loro. In fig. 11 ? rappresentato un unico blocco logico 502 che applica tale anticipo.

Successivamente, la suddetta seconda tecnica prevede di moltiplicare il simbolo da demodulare, ciascuno dei simboli ritardati e, opzionalmente, ciascuno dei simboli in anticipo per il complesso coniugato del simbolo precedentemente indentificato con uno dei due metodi sopra descritti.

In fig. 11 tali operazioni in parallelo sono eseguite mediante o blocchi logici 100 di fig. 8.

Una volta eseguite tali moltiplicazioni, si procede alla determinazione per ciascuna delle operazioni di moltiplicazioni del valore di ampiezza del segnale risultante.

Infine, mediante il blocco logico 503, si identifica il disallineamento temporale del simbolo da decodificare, in base a quale segnale risultante dalle moltiplicazioni presenta il valore di ampiezza pi? elevato.

Ulteriormente, qui di seguito viene presentato un terzo metodo di demodulazione, alternativo ai due descritti sopra, per l?identificazione del simbolo da demodulare.

Tale terzo metodo ha lo scopo di ridurre ulteriormente la complessit? computazionale per l?identificazione del suddetto simbolo da demodulare.

Il principio di base del suddetto terzo metodo di demodulazione consiste nel definire un alfabeto, o insieme, limitato di simboli di numero pari a 2<Nb>, per esempio quattro simboli. In quest?ultimo caso, ciascun simbolo ? la rappresentazione di 2 bit di informazione (Nb=2). Da tale base di simboli 2<Nb>, il metodo prevede di creare una costellazione estesa di simboli, introducendo un offset di frequenza per esempio pari a BW/2<BA>, dove BW indica la larghezza di banda, mentre BA indica i bit aggiuntivi rispetto agli Nb dei simboli di base. A titolo di esempio, se si definissero come quattro simboli di base:

- il simbolo definito come 50% up-chirp-50% down-chirp;

- il simbolo definito come 50% down-chirp-50% up-chirp;

- il simbolo definito dal segnale up-chirp puro;

- il simbolo definite dal segnale down-chirp puro;

e ponendo BA pari a 1, la costellazione espansa consterebbe di otto simboli, i cui andamenti sono rappresentati in fig. 12.

Ci? premesso, il suddetto terzo metodo di individuazione del simbolo da demodulare, di cui una rappresentazione dello schema a blocchi 600 ? rappresentata in fig. 13, si basa sull?analisi di frequenza del suddetto simbolo da demodulare in relazione a ciascuno dei simboli appartenenti alla suddetta costellazione espansa. Nell?esempio di fig.

13 sono rappresentati per semplicit? solamente due blocchi logici di confronto 601. Chiaramente il numero di tali blocchi logici di confronto 601 deve essere pari al numero 2<Nb+BA >di simboli appartenenti alla suddetta costellazione espansa.

In altri termini, in modo pi? specifico, tale metodo di demodulazione prevede innanzitutto, per ciascun simbolo 2 da demodulare, appartenente al segnale di trasmissione 1 ricevuto, di generare parallelamente tutti i simboli rappresentanti tutti i 2<Nb+BA >codici di informazione appartenenti alla suddetta costellazione espansa, come indicare dai blocchi logici 602 di fig. 13.

Per ciascuno dei suddetti 2<Nb+BA >simboli generati, il metodo prevede di calcolare parallelamente il complesso coniugato (blocco logico 603) e di moltiplicare parallelamente il simbolo da demodulare per il complesso coniugato di ciascuno di detti simboli generati, mediante il blocco logico 604.

Il terzo metodo, successivamente, prevede di calcolare parallelamente, mediante il blocco logico 605 di fig. 3, la FFT del risultato di ciascuna delle moltiplicazioni e di analizzare parallelamente i risultati delle FFT, in modo da identificare il bin di frequenza con massima ampiezza per ciascuna di delle analisi FFT. Infine, il metodo prevede una prima operazione di identificazione dell?analisi FFT che presenta, tra tutte le analisi FFT, il bin di frequenza con maggiore ampiezza e successivamente di identificare come simbolo da demodulare, il simbolo generato che ha determinato il bin di frequenza con maggiore ampiezza, tra tutte le ampiezze dei bin di frequenza di tutte le analisi FFT. Tali ultime operazioni sono eseguite mediante il blocco logico indicato con 606 in fig. 13.

Vantaggiosamente, come accennato in precedenza, tale terzo metodo, rispetto ai primi due metodi descritti sopra, permette di ridurre sensibilmente la complessit? computazionale pari a 2<Nb >? (2<Nb >+ 2<BA >? BA).

In base a quanto detto quindi il metodo di modulazione e demodulazione dell?invenzione della presente invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare, ? raggiunto lo scopo di proporre un metodo di modulazione e demodulazione che consenta di rendere l?estrazione dell?informazione trasmessa mediante un segnale di trasmissione immune da eventuali traslazioni in frequenza dovute a effetti doppler o a qualsiasi altro fenomeno fisico che causa tale traslazione durante la trasmissione.

Un altro scopo raggiunto dall?invenzione ? di proporre un metodo di modulazione e demodulazione che permetta di discriminare e compensare in modo totalmente indipendente le traslazioni di frequenza del segnale e i disallineamenti nel tempo del simbolo trasmetto.

E? raggiunto, altres?, lo scopo di proporre un metodo di modulazione e demodulazione che sia implementabile mediante un ricetrasmettitore economico disponibile sul mercato.

Infine, ? raggiunto anche lo scopo di proporre un metodo di modulazione e demodulazione che consenta di implementare la demodulazione del segnale di trasmissione ricevuto, mediante componenti a basso costo.

Claims (11)

RIVENDICAZIONI

1) Metodo di modulazione e demodulazione di un flusso di dati, per la ricetrasmissione di detto flusso di dati mediante un segnale di trasmissione (1), caratterizzato dal fatto che detta modulazione prevede di definire una sequenza di simboli (2) consecutivi aventi un medesimo intervallo di durata T, laddove ciascun simbolo (2) rappresenta una porzione di Nb bit di detto flusso di dati, ciascuno di detti simboli (2) essendo definito dalla combinazione di un segnale up-chirp (3) di durata t1 seguito da un segnale down-chirp (4) di durata t2 o, viceversa, dalla combinazione di un segnale down-chirp (4) di durata t2 seguito da un segnale up-chirp (3) di detta durata t1, e laddove per ciascun simbolo (2), la somma di detta durata t1 e detta durata t2 ? sempre pari a detto intervallo di durata T, il codice di informazione rappresentato da ciascun simbolo (2) essendo determinato dalla scelta di una di dette due combinazione e dal rapporto di detta durata t1 rispetto a detta durata t2 all?interno di detto intervallo di durata T.

2) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta durata t1 pu? variare nell?intervallo [0;T) e detta durata t2 ? scelta in modo che t2 = T - t1.

3) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il codice di informazione rappresentato da ciascun simbolo (2) ? appartenente ad un insieme di codici di informazione di numero pari a 2<Nb>.

4) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, per ciascuno di detti simboli (2):

- detto segnale up-chirp (3) ? un segnale la cui frequenza risulta linearmente crescente da un valore minimo di frequenza (fL) ad un valore massimo di frequenza (fH) di una larghezza di banda (BW) predefinita;

- detto segnale down-chirp (4) ? un segnale la cui frequenza risulta linearmente decrescente da detto valore massimo di frequenza (fH) a detto valore minimo di frequenza (fL) di detta larghezza di banda (BW) predefinita.

5) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti codici di informazione sono codificati secondo codifica Gray.

6) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta modulazione prevede di eseguire una modulazione di fase di uno o pi? di detti simboli (2).

7) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in combinazione con rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta demodulazione prevede, per ciascun simbolo (2) da demodulare, appartenente a detto segnale di trasmissione, di:

- generare parallelamente tutti i simboli rappresentanti tutti detti codici di informazione 2<Nb >trasmissibili;

- calcolare parallelamente per ciascuno di detti simboli generati il complesso coniugato;

- moltiplicare parallelamente detto simbolo (2) da demodulare per detto complesso coniugato di ciascuno di detti simboli generati;

- determinare parallelamente per ciascuna di dette operazioni di moltiplicazione il valore di ampiezza del segnale risultante;

- identificare come simbolo (2) da demodulare, il simbolo generato che ha determinato il valore di ampiezza pi? elevato tra tutti i valori di ampiezze determinati.

8) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in combinazione con la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta demodulazione, per ciascun simbolo (2) da demodulare, appartenente a detto segnale di trasmissione (1), prevede di suddividere detti Nb bit in almeno un primo sotto-gruppo di Nbps bit ed un secondo sotto-gruppo di Nbms = NB ? Nbps bit, e di:

- generare parallelamente, tra tutti i simboli rappresentanti detti codici di informazione 2<NB >trasmissibili, primi simboli rappresentanti gli 2<Nbps >codici di informazione tra loro distinti, considerando e variando esclusivamente gli Nbps bit pi? significativi di detti Nb bit di ciascuno di detti codici di informazione;

- calcolare parallelamente per ciascuno di detti primi simboli generati il complesso coniugato;

- moltiplicare parallelamente detto simbolo (2) da demodulare per detto complesso coniugato di ciascuno di detti primi simboli generati; - determinare parallelamente per ciascuna di dette operazioni di moltiplicazione il valore di ampiezza del segnale risultante;

- identificare come probabile simbolo (2) da demodulare, il simbolo tra detti primi simboli generati, che ha determinato il valore di ampiezza pi? elevato tra tutti i valori di ampiezze determinati;

- generare parallelamente secondi simboli rappresentanti tutti i codici di informazione 2<Nbms >aventi gli Nbps bit pi? significativi corrispondenti a detto probabile simbolo (2) da demodulare, detta generazione di detti secondi simboli essendo attuata considerando e variando esclusivamente gli Nbms bit meno significativi tra detti Nb bit di ciascuno di detti codici di informazione;

- calcolare parallelamente per ciascuno di detti secondi simboli generati il complesso coniugato;

- moltiplicare parallelamente detto simbolo (2) da demodulare per detto complesso coniugato di ciascuno di detti secondi simboli generati;

- determinare parallelamente per ciascuna di dette operazioni di moltiplicazione il valore di ampiezza del segnale risultante;

- identificare come simbolo (2) da demodulare, il simbolo tra detti secondi simboli generati, che ha determinato il valore di ampiezza pi? elevato tra tutti i valori di ampiezze determinati.

9) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 o 8, caratterizzato dal fatto che detta demodulazione, per ciascun simbolo (2) da demodulare, appartenente a detto segnale di trasmissione (1), prevede per detto simbolo identificato come simbolo trasmesso, tra detti simboli generati, di;

- moltiplicare detto simbolo (2) da demodulare per il complesso coniugato di detto simboli identificato;

- calcolare la FFT del risultato di detta moltiplicazione;

- analizzare il risultato di detta FFT in modo da identificare il bin di frequenza con massima ampiezza;

- considerare la frequenza di detto bin indentificato come l?offset di frequenza di detto simbolo (2) da demodulare.

10) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto che detta demodulazione, per ciascun simbolo (2) da demodulare, appartenente a detto segnale di trasmissione (1), prevede per detto simbolo identificato come simbolo trasmesso, tra detti simboli generati, di:

- ottenere almeno un simbolo ritardato rispetto a detto simbolo (2) da demodulare applicando un ritardo temporale;

- moltiplicare ciascuno di detto simbolo (2) da demodulare e detto simbolo ritardato per il complesso coniugato di detto simbolo indentificato;

- determinare per ciascuna di dette operazioni di moltiplicazioni il valore di ampiezza del segnale risultante;

- identificare l?offset nel tempo di detto simbolo (2) da demodulare in base a quale segnale risultante di dette moltiplicazioni presenta il valore di ampiezza pi? elevato.

11) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in combinazione con la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta demodulazione prevede, per ciascun simbolo (2) da demodulare, appartenente a detto segnale di trasmissione (1), di: - generare parallelamente tutti i simboli rappresentanti gli 2<Nb+BA >codici di informazione, laddove 2<Nb >sono codici di informazione di base e i restanti 2<Nb+BA >- 2<Nb >codici di informazione sono ottenuti introducendo un offset di frequenza multiplo di BW/2<BA >all?interno della larghezza di banda BW, laddove BA indica i bit aggiuntivi rispetto agli Nb bit di detti codici di informazione di base;

- calcolare parallelamente per ciascuno di detti simboli generati il complesso coniugato;

- moltiplicare parallelamente detto simbolo (2) da demodulare per detto complesso coniugato di ciascuno di detti simboli generati;

- calcolare parallelamente la FFT del risultato di ciascuna di dette moltiplicazioni;

- analizzare parallelamente i risultati di dette FFT in modo da identificare il bin di frequenza con massima ampiezza per ciascuna di dette analisi FFT;

- identificare l?analisi FFT che presenta tra tutte dette analisi FFT il bin di frequenza con maggiore ampiezza;

- identificare come simbolo (2)

da demodulare, il simbolo generato che ha determinato detto bin di frequenza con maggiore ampiezza tra tutte le ampiezze dei bin di frequenza di tutte dette analisi FFT.