MX2009001709A - Modulador de tren de pulsos sin portadora que emplea filtros saw. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema y método de modulación sin portadora en esta descripción que emplea filtros SAW como modulador, además de su uso convencional como filtros para limitar en banda un sistema UWB. Este sistema y método está diseñado principalmente para ser usado con cualquier modulación de tipo de ciclo entero, de banda ultra-ancha o de impulso y, de manera más particular, está diseñado para trabajar con un método de modulación llamado xG Flash Signaling. Esta técnica explota la respuesta de impulso del filtro SAW al excitar el filtro con un tren de impulsos angostos produciendo un sistema de radio de impulso sin portadora con ancho de banda limitado, baja energía promedio, pero alta energía pico.

Description

MODULADOR DE TREN DE PULSOS SIN PORTADORA QUE EMPLEA FILTROS SAW Referencia Cruzada a la Solicitud Relacionada La presente solicitud reclama el beneficio de la Solicitud de Provisional Patente co-dependiente, No. de Serie 60/842,323, previamente presentada.

Campo de la Invención La invención resuelve la necesidad de transportar datos con una alta tasa de bits sobre medios alámbricos o inalámbricos, utilizando especialmente ondas de portadora de radio frecuencia modulada. De manera especifica, se describe una técnica en esta descripción que emplea filtros SAW como modulador además de su uso convencional como filtros. Esta técnica explota la respuesta de impulso del filtro SAW al excitar el filtro con un tren de pulsos angosto que produce un sistema de radio de impulso sin portadora con ancho de banda limitado, baja energía promedio, pero alta energía pico .

Antecedentes de la Invención La modulación es el proceso fundamental en cualquier sistema de comunicaciones. Es un proceso que imprime un mensaje (voz, imagen, datos, etc.) en una onda portadora para la transmisión. Un rango de frecuencias limitado en banda que incluye el mensaje (banda base) se traslada a un rango de frecuencia más alto. El mensaje limitado en banda es preservado, es decir, cada frecuencia en este mensaje es escalada por un valor constante. Los tres parámetros clave de una onda portadora son su amplitud, su fase y su frecuencia, todos los cuales pueden ser modificados de acuerdo con una señal de información para obtener la señal modulada. Existen varias formas de moduladores. Por ejemplo, la Modulación de Amplitud convencional emplea una cantidad diferente de técnicas para modular la amplitud de la portadora en conformidad con la señal de información. Estas técnicas han sido descritas con detalle en "Sistemas Modernos Analógicos y Digitales de Comunicación" de B.P. Lathi. De manera similar, la Modulación convencional de Fase / Frecuencia utiliza una cantidad de métodos diferentes descritos en una cantidad de libros de texto. En todas estas técnicas, las características (ya sea la amplitud, frecuencia, fase, o una combinación de estas) de la portadora (la cual es una señal sinusoidal de alta frecuencia) se modifican de acuerdo . con los datos (o la señal de información) . De este modo existen dos componentes principales de un modulador. Uno es la señal portadora de información y el otro es la portadora de alta frecuencia. Se describe un modulador no convencional en este documento al explotar la respuesta de impulso de los Filtros Pasa Banda. En un sistema de comunicaciones, los filtros pasa banda son usados para limitar la banda del ancho de banda de la señal. Por ejemplo, son utilizados en los transmisores para permitir que la señal requerida pase a la siguiente fase y en los receptores son usados para bloquear cualquier señal no deseada. Son parte integral de cualquier sistema de comunicaciones y tienen varias ventajas. Los filtros pasa banda vienen en diferentes tipos y formas. La mayoría de los sistemas de comunicación actuales emplea filtros SAW (de Onda Acústica de Superficie, en español) . Los filtros SAW son filtros pasa banda. Estos usan un sustrato de cristal piezoeléctrico con electrodos de oro depositado. Los filtros SAW son capaces de reemplazar los filtros pasa banda LC discretos en ciertas aplicaciones de banda ancha entre 20 MHz y 1 GHz. Sus perfiles de filtrado, o factores de forma, son los más agudos de todas las estructuras de filtrado. Puesto que estos se encuentran grabados en una tarjeta de circuito impreso, ahorran mucha superficie en tarjetas de circuitos y son, de este modo, más sencillos de implementar. El uso principal de los filtros SAW (como lo implica el nombre) es el filtrado de señales innecesarias tales como limitar la banda de la salida de un transmisor. Se ha descrito una técnica para usar filtros SAW como moduladores por el inventor en otra patente titulada "Modulador sin Portadora empleando Filtros SAW" , Solicitud de E.U. No. 60/781,718; sin embargo, la técnica de . modulación actual es significativamente diferente que aquella descrita en la solicitud de patente anterior. Se aplica una serie de pulsos angostos (representando un evento de modulación) a la entrada del filtro SAW. El filtro SAW, siendo un dispositivo resonante, resuena en la frecuencia fundamental, modulando asi el tren de pulsos entrante sin el uso de una portadora para la modulación. Los sistemas de comunicación que han emergido en años recientes incluyen sistemas de comunicaciones mono-pulso y de Banda Ultra-Ancha (UWB, por sus siglas en inglés) . El problema con estos sistemas es que todos los sistemas de comunicaciones mono-pulso o de Banda Ultra-Ancha forman Densidades del Espectro de Energía que tienden a abarcar franjas muy anchas del espectro de radio. Por ejemplo, la FCC ha permitido de manera condicionada el uso limitado de energía de UWB desde 3.2 GHz hasta 10 GHz. Estos sistemas deben hacer uso de secciones muy amplias del espectro de radio debido a que la transmisión de energía en cualquier sección angosta del espectro es muy baja. Generalmente, cualquier sección de 4 KHz del espectro afectado contendrá no más de -42 dbm de energía de espectro UWB. Los receptores correlacionados son empleados para "reunir" tal energía espectral tan ancha y concentrarla en pulsos detectables. Las señales de interferencia son problemáticas. Puesto que el sistema de comunicaciones está recibiendo energía sobre un espectro muy ancho, cualquier señal de interferencia en este espectro debe ser tolerada y mitigada dentro del receptor. Existen muchos esquemas para mitigar la interferencia. Algunos de estos incluyen el bloqueo selectivo de ciertas secciones del espectro, como no escuchar al emisor de la interferencia, esquemas OFDM que envían copias redundantes de la información, esperando que por lo menos una copia pase a través de la interferencia, y otros esquemas más exóticos que requieren de algoritmos de DSP sofisticados para realizar un filtrado avanzado. Además, los sistema de UWB tiene una especia de "mala reputación" debido que estos tiene por lo menos el potencial de causar interferencia. Durante años se ha dado un acalorado debate sobre el potencial de los sistemas de UWB de provocar interferencia a usuarios de espectros anteriores. La Modulación de Ciclo Entero de Tres Estados (TICM, por sus siglas en inglés) y otras técnicas de Modulación de Ciclo Entero fueron diseñadas por Joe Bobier y el inventor de esta solicitud para ayudar a aliviar el problema masivo y creciente que ahora se ha vuelto conocido por su designación comercial, xG Flash Signaling. Sus características de señal son tales que se genera una mínima energía absoluta de banda lateral durante la modulación, pero esta densidad del espectro de energía es muy ancha con relación a la tasa de información aplicada. Además, una sección más angosta de la salida del espectro de energía puede ser usada para representar la misma información. La técnica de modulación descrita aquí es aplicable principalmente a estos tipos de sistemas de ciclo único. Como cualquier otro filtro pasa banda, los filtros SAW también tienen una respuesta de impulso. La respuesta de impulso depende del ancho de banda del filtro. Se describe una técnica en esta descripción que utiliza la respuesta de impulso del filtro para modular la señal de datos entrante sin emplear una portadora para la modulación al excitar el filtro con un tren de pulsos angostos, produciendo un sistema de radio de impulso con un ancho de banda limitado, baja energía promedio, pero alta energía pico.

Breve Descripción de la Invención La invención descrita en esta solicitud emplea cualquier modulación de tipo de ciclo entero o de impulso y, de manera más particular, está diseñada para trabajar con un método de modulación llamado Modulación de Ciclo Entero de Tres Estados (TIC , por sus siglas en inglés), que ha sido descrito previamente en la Patente de E.U. No. 7,003,047, publicada el 21 de Febrero del 2006, presentada por el inventor de esta descripción. En un sistema de comunicaciones, los filtros pasa banda son usados para limitar en banda el ancho de banda de la señal. Por ejemplo, estos son usados en los transmisores para permitir que las señales requeridas pasen a la siguiente fase y en los receptores son usados para bloquear cualquier señal no deseada. Son parte integral de cualquier sistema de comunicaciones y tienen varias ventajas. Los filtros Pasa Banda vienen en varias formas y tipos. La mayoría de los sistemas de comunicaciones actuales usan filtros SAW (de Onda Acústica de Superficie, en español) . Los filtros SAW son filtros pasa banda. Sus perfiles de filtrado, o factores de forma, son lo más agudos de todas las estructuras de filtrado. El uso principal de los filtros SAW (como lo implica el nombre) es el filtrado de las señales innecesarias y son usados comúnmente para limitar en banda una salida de un transmisor. Se describe una técnica en este documento que emplea los filtros SAW como un modulador, además de su uso convencional como filtros. Esta técnica explota la respuesta en impulso del filtro SAW al excitar el filtro con un tren de pulsos angostos que produce un sistema de radio de impulso sin portadora con ancho de banda limitado, baja energía promedio, pero alta energía pico. Para un entendimiento más completo de la naturaleza y objetivos de la invención, se debe hacer referencia a la siguiente descripción detallada, tomada en conexión con las figuras anexas.

Breve Descripción de las Figuras Para un entendimiento más completo de la naturaleza y objetivos de la invención, se debe hacer referencia a las figuras anexas, en las cuales: La Figura 1 es una representación de la respuesta en frecuencia típica de un filtro SAW; La Figura -2 es una representación de una Función de la Delta de Dirac; La Figura 3 es una representación de una respuesta de impulso de un filtro SAW; La Figura 4 es una representación de un Tren de Pulsos; La Figura 5 es una respuesta de salida de un filtro SAW; La Figura 6 es una tabla que muestra varios pulsos vs . energía pico; La Figura 7 es una representación de un Tren de Pulsos; La Figura 8 es una respuesta de salida de un filtro SAW; La Figura 9 es una tabla que muestra varios pulsos vs. energía pico; La Figura 10 es una tabla que muestra varios pulsos vs . energía pico; La Figura 11 es una representación de un generador de Tren de Pulsos; y La Figura 12 es un diagrama a bloques de un modulador.

Descripción Detallada de la Invención La invención descrita en esta solicitud emplea cualquier modulación de tipo de ciclo entero, banda ultra- ancha, o de impulso y, de manera más particular, está diseñada para trabajar con un método de modulación llamado xMax, que ha sido descrito anteriormente. Considérese un filtro SAW centrado en 915 MHz con un ancho de banda de 14 MHz. Este tipo de filtro SAW es usado comúnmente para aplicaciones ISM a 900 MHz, como teléfonos inalámbricos, transmisores de baja potencia, etc. La respuesta en frecuencia de este filtro SAW se muestra en la Figura 1. Mientras que la respuesta en frecuencia del filtro no da información sobre la respuesta de impulso de tal · filtro, tenemos que calcular la respuesta de impulso de este filtro. La respuesta de impulso de un filtro se deriva usualmente al pasar una señal de la delta de Dirac (conocida simplemente como función delta) por la entrada del filtro SAW. La función Delta se define como: la función de la Delta de Dirac, referida a menudo como el impulso unitario o la función delta, es la función que define la idea de un impulso unitario . La función es una que es angosta de manera infinitesimal , alta de manera infinitesimal , integrándose todavía como la unidad, uno. Esta función puede ser visualizada como se muestra en la Figura 2. Cuando tal señal es aplicada a un filtro SAW (descrito anteriormente) , se forma una señal de salida como se muestra en la Figura 3. A partir de la Figura 3 es claro que la salida del filtro SAW comienza en el tiempo t = 0, crece hasta una amplitud pico en el tiempo t = 80 nseg, y entonces comienza a descender. Este proceso se repite varias veces. Aunque la entrada es aplicada durante un periodo de tiempo muy corto, la señal en la salida del filtro SAW permanece durante por lo menos 148.5 nseg. En otras palabras, el filtro SAW resuena durante 148.5 nseg. Mientras más amplio el ancho de banda del filtro SAW, menor el tiempo de resonancia, y viceversa. El análisis en el dominio de la frecuencia de la Figura 3 revela que existen una variedad de frecuencias presentes cuando se aplica una entrada de Dirac al filtro SAW. Estas frecuencias caen dentro del ancho de banda del filtro SAW. Aunque la señal de entrada es una señal de impulso unitario (frecuencia = infinita, como tiempo = 0, como se muestra en la Figura 2), la señal de salida tiene contenidos en frecuencia que se encuentran dentro del ancho de banda del filtro SAW. Por lo tanto, en un sistema de ciclo único como xG Flash Signaling, en lugar de modular la señal (usando medios ya sea digitales o analógicos) , y pasándola entonces a través de los filtros SAW, se puede aplicar la señal de manera directa desde le codificador hacia el filtro SAW. La respuesta de impulso del filtro SAW convertirá los datos codificados en una señal modulada que puede ser entonces aplicada a otros bloques de procesamiento de señal como amplificadores, filtros, etc., como se describe en la solicitud previa por el inventor descrito anteriormente. La técnica descrita en este documento emplea una serie de pulsos rectangulares angostos. Estos pulsos son aplicados a la entrada de un filtro SAW. La salida del filtro SAW resulta en una señal similar a una mostrada en la Figura 3, sin embargo, la amplitud de la señal de salida depende de las siguientes características del tren de pulsos: • Cantidad de pulsos en el tren. • Periodo del pulso. • Amplitud de los pulsos. Considérese un tren de pulsos de cinco pulsos; el periodo de tiempo de los pulsos es de 1 nseg y el ciclo obligatorio es del 50 %, es decir, los pulsos se encuentran en el nivel lógico uno durante 0.5 nseg y en el nivel lógico cero durante 0.5 nseg. Estos pulsos son mostrados en la Figura 4. Cuando tal tren de pulsos es aplicado a la entrada de un filtro SAW de 21 MHz de ancho, se forma una salida como se muestra en la Figura 5. Nótese la amplitud pico a pico de la señal de salida. La amplitud pico a pico es aproximadamente 51.82 mVpp = -21.73 dBm. Si la cantidad de pulsos se incrementa, la amplitud resultante cambia. La Figura 6, Tabla 1, muestra la relación entre el número de pulsos y la salida del pulso pico para un pulso de 1 nseg con un ciclo obligado del 50%. Como se menciona anteriormente, la amplitud de salida del filtro SAW también depende del periodo de los pulsos. Por ejemplo, considérese un tren de pulsos de cinco pulsos donde el periodo de los pulsos es de 2 nseg. Estos pulsos son mostrados en la Figura 7. Cuando tal tren de pulsos es aplicado a la entrada de un filtro SAW de 21 MHz de ancho, se forma una salida como se muestra en la Figura 8. Nótese la amplitud pico a pico de la señal de salida. La amplitud pico a pico es aproximadamente 3.6 mVpp = -44.68 dBm. La Figura 9, Tabla 2, muestra la relación entre la cantidad de pulsos, la duración de los pulsos, y la amplitud pico de la salida del filtro SAW.

En la Tabla 1 y Tabla 2, la amplitud de los pulsos de entrada es de 1 Vpp. Como se menciona antes, la amplitud de la salida del filtro SAW también depende de la amplitud pico de los pulsos aplicados en la entrada del filtro SAW. La amplitud de salida aumenta con el incremento de la amplitud de la señal de entrada. Por ejemplo, considérese un tren de pulsos de siete pulsos; el periodo de los pulsos es de 1.109 nseg con un ciclo obligado del 50%. Si la amplitud de entrada se incrementa de 1 Vpp a 5 Vpp, la amplitud de salida correspondiente del filtro SAW aumenta. La Figura 10, Tabla 3, es derivada al modificar la amplitud de entrada de los pulsos, mientras se mantiene constante el periodo y ciclo obligatorio de los pulsos. Como es bien sabido para aquellos con habilidad en el arte, existen varias maneras de generar un tren de pulsos con varios pulsos. Algunas de las manera comunes para implementar esto son usando Lógica Programable y Hardware Digital Discreto. Los dispositivos lógicos programables, como el FPGA y el CPLD, pueden ser programados fácilmente para generar cualquier tamaño de tren de pulsos. Los conectores de E/S de estos dispositivos deben ser capaces de funcionar a alta velocidad. Una variedad de dispositivos de hardware digital discreto pueden ser usados para realizar cualquier cantidad de trenes de pulsos. Uno de tales métodos es mostrado en la Figura 11.

El circuito de la Figura 11 se utiliza para generar un tren de pulsos de cinco pulsos, cada uno con un periodo de 1 nseg, usando un único pulso de 5 nseg. Un único pulso de 5 nseg es aplicado a una Compuerta AND/NAND de dos entradas. La salida invertida de la compuerta se alimenta con su entrada invertida a través de un microcircuito de retraso programable. El retraso programable también puede ser implementado usando un cable coaxial. El retraso programable se ajusta de tal modo que la propagación del retraso de la compuerta AND/NAND, en conjunto con el retraso programable, sea igual a 1 nseg. Se forma un bucle de retroalimentación desde la salida de la compuerta hacia su entrada. Este circuito produce un tren de pulsos de cinco pulsos con un periodo de 1 nseg. En la Figura 12 se muestra un diagrama a bloques de un modulador que implementa la descripción de esta invención y opera de la siguiente manera. La fuente de datos suministra datos codificados de índice N. Los datos podrían ser de terminación única o diferenciales. El formato de los datos podría ser ya sea NRZ (Sin Retorno a Cero, en español) o RZ (de Retorno a Cero, en español) . La amplitud pico a pico de esta señal puede ser ya sea programable o fija. Puesto que es una señal digital, puede ser TTL, CMOS, ECL, PECL, LVDS, o cualquiera otra familia lógica. Los datos codificados de la fuente de datos son alimentados en el circuito Generador de Tren de Pulsos. Este bloque puede ser implementado de varias maneras, dos de las cuales se describen anteriormente. También se muestran en la Figura 12 dos redes de ajuste. Una es colocada en la entrada, llamada "red de ajuste de entrada", y la otra es llamada "red de ajuste de salida". La red de ajuste de entrada transforma la impedancia del generador de tren de pulsos en la impedancia de entrada del filtro SAW. También se usa para convertir la salida diferencial de datos en la salida de terminación única. De manera similar, la red de ajuste de salida realiza la transformación de la impedancia desde el filtro SAW hacia la siguiente fase. Las redes de ajuste pueden ser implementadas usando ya sea componentes discretos o redes activas. Cualquier filtro SAW con un ancho de banda apropiado y una respuesta de impulso apropiada puede ser usado como modulador . Las siguientes son las ventajas de esta clase de modulador : • La modulación es terminada sin el uso de un oscilador local. • Reduce el costo del sistema. • Reduce la complejidad del sistema. • Ahorra superficie en la tarjeta de circuito impreso . · Reduce los requerimientos totales de energía del sistema, ya que los filtros SAW son dispositivos pasivos. ' · Reduce la cantidad de amplificadores que siguen al filtro SAW, ya que la modificación de la cantidad, periodo y amplitud de los pulsos puede aumentar la amplitud de la salida del filtro SAW. Puesto que ciertos cambios pueden realizarse en el sistema y método de modulación de señal de RF descrito anteriormente, sin alejarse del enfoque de la invención aquí explicada, se entiende que todo el material contenido en la descripción de ésta o mostrada en las figuras anexas debe ser interpretado como ilustrativo y no en un sentido limitante.

Claims (4)

Reivindicaciones Lo que se reivindica es:

1. Un modulador usado para generar una señal de tren de pulsos de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora, a partir de una fuente de datos que incluye: Un Filtro Pasa Banda con que tiene una frecuencia fundamental ; Un generador de tren de pulsos en comunicación eléctrica con una fuente de datos; Dicho generador de tren de pulsos capaz de producir un tren de pulsos de cantidades de pulsos, periodos de pulsos, y amplitudes de pulsos seleccionadas, indicando un evento de modulación cuando se reciben los datos desde dicha fuente de datos; Una red de ajuste de impedancia de entrada; Dicha red de ajuste de impedancia de entrada en comunicación directa con dicho generador de tren de pulsos y dicho Filtro Pasa Banda; Dicha red de ' ajuste de impedancia de entrada configurada de modo tal que dicha red de ajuste de impedancia de entrada transforma la impedancia de salida de dicho generador de tren de pulsos en la impedancia de entrada de dicho Filtro Pasa Banda, tal que un tren de pulsos que indica un evento de modulación generado por dicho generador de tren de pulsos se proporciona a dicho Filtro Pasa Banda, provocando que dicho Filtro Pasa Banda resuene en la frecuencia fundamental de dicho Filtro Pasa Banda generando una señal de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora en la salida de dicho Filtro Pasa Banda; Una red de ajuste de impedancia de salida; y, Dicha red de ajuste de impedancia de salida en comunicación eléctrica con la salida de dicho Filtro Pasa Banda y configurada de tal modo que dicha red de ajuste de impedancia de salida transforma la impedancia de salida de dicho Filtro Pasa Banda para ajusfar las impedancias de entrada de otras fases de un sistema de radio usado para transmitir dicha señal de tren de pulsos de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora.

2. El modulador de la reivindicación 1, en el que dicho Filtro Pasa Banda es un Filtro de Onda Acústica de Superficie .

3. Un método para generar una señal de tren de pulsos de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora, que incluye: Generar un tren de pulsos de cantidades de pulsos, periodos de pulsos, y amplitudes de pulsos seleccionadas, indicando un evento de modulación, usando un generador de tren de pulsos en comunicación eléctrica con y recibiendo una señal digital desde una fuente de datos; Transformar la impedancia de dicho generador de tren de pulsos para ajusfar la impedancia de entrada de un Filtro Pasa Banda con una frecuencia fundamental; Aplicar dicho tren de pulsos a la entrada de dicho Filtro Pasa Banda de modo tal que dicho Filtro Pasa Banda resuene en la frecuencia fundamental y se genere una señal de-tren de pulsos de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora en la salida de dicho Filtro Pasa Banda; y Transformar la impedancia de la salida de dicho Filtro Pasa Banda para ajusfar las impedancias de entrada de otras fases de un sistema de radio usado para transmitir dicha señal de tren de pulsos de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora.

4. El método para generar una señal de tren de pulsos de Radio Frecuencia modulada por impulso sin portadora de la reivindicación 3, en el que dicho Filtro Pasa Banda es un Filtro de Onda Acústica de Superficie.