WO2006000602A1 - Procedimiento para la obtención de huecos espectrales en la transmisión de señales por la red eléctrica - Google Patents

Abstract

Permite la transmisión de señales por la red eléctrica con una densidad espectral de potencia adecuada, de forma que dicha densidad espectral de potencia se ajuste a las regulaciones de la normativa vigente mediante la posibilidad de introducir huecos espectrales en la transmisión de forma eficiente. Se caracteriza por el ajuste de la potencia de una o más portadoras de una señal OFDM para la generación de dichos huecos, por la utilización de IDFTs de al menos 1024 puntos (si la IDFT es compleja) o al menos 2048 puntos (si la IDFT es real), y por la utilización de una ventana que multiplica a los símbolos que van a ser transmitidos en el tiempo.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva se refiere a un procedimiento para la obtención de huecos espectrales en la transmisión de señales por la red eléctrica. Un hueco espectral se define como una banda de frecuencias donde la densidad de potencia transmitida es menor que cierto valor requerido. Este procedimiento es especialmente importante en la creación y uso de un sistema de transmisión por la red eléctrica, ya que permite adaptar la potencia de la señal transmitida en diferentes frecuencias de forma que se adapte a las regulaciones que la normativa vigente en los diferentes países establece para la transmisión de señales por la red eléctrica, con los huecos espectrales adecuados que especifique dicha normativa. De esta forma se evitarán las interferencias con servicios licenciados que utilicen la misma banda de frecuencias que la señal transmitida por el sistema de comunicaciones por la red eléctrica. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN El medio de comunicación constituido por la red eléctrica, tanto de baja como de media tensión, es un medio que inicialmente no estaba concebido para la transmisión de señales de telecomunicación. Este medio es un medio no apantallado en el que la señal transmitida puede radiar e interferir con otros sistemas que estén utilizando las mismas frecuencias. Es de relevancia el caso de los radioaficionados y otros servicios de radiocomunicaciones que incluyen radionavegación, servicios de emergencia, etc. En estos servicios una baja señal interférente puede interrumpir la comunicación, con lo que es especialmente importante evitar la transmisión de potencia en dichas frecuencias. Es por ello que la normativa en vigor en múltiples países impone restricciones a la densidad espectral de potencia (PSD) que puede transmitirse en ciertas frecuencias, con lo que es necesario obtener huecos espectrales profundos para realizar la transmisión de señales por la red eléctrica de acuerdo con la normativa. El procedimiento objeto de la invención está diseñado para la creación de huecos espectrales de gran profundidad con la mayor eficiencia posible, abarcando el ancho de banda estrictamente necesario. Este procedimiento busca la adecuación de la señal transmitida a determinados patrones de potencia impuestos por los motivos legales antes referidos de una forma eficiente. Dichos patrones de potencia suelen definirse como rangos de frecuencia en los que la transmisión de potencia está muy limitada (por ejemplo, 30 dBs menos respecto a otras frecuencias) o incluso prohibida. Sin embargo, dadas las limitaciones tecnológicas no es posible obtener una transición inmediata entre una banda de frecuencias con cierta densidad espectral de potencia y otra con una densidad espectral de potencia distinta, con lo que no es posible eliminar de forma abrupta la señal transmitida en cierto rango de frecuencias sin reducir la potencia de las portadoras adyacentes al hueco espectral . Gracias al procedimiento de invención esta reducción puede realizarse de forma eficiente, reduciendo al máximo el número de portadoras adyacentes al hueco afectadas por la generación de dicho hueco espectral . Por otro lado, los conceptos de enventanado y concretamente la ventana de coseno alzado, no son invenciones de este procedimiento, sino que también son conocidos en el estado del arte. Por ejemplo pueden ser encontrados en textos de telecomunicación como "Digital Communications" de John G. Proakis de la editorial McGraw- HiIl, en el "Discrete-Time Signal Processing" de Alan V. Oppenheim de la editorial Prentice Hall, o en "OFDM for wireless multimedia Communications" de Richard Van Nee y Ramjee Prasad de la editorial "Artech House Publishers" . En la primera referencia se comenta que las ventanas de coseno alzado se utilizan para el diseño de señales limitadas en banda (para evitar la interferencia entre símbolos) , mientras que en la última referencia se comenta que el proceso de enventanado aplicado a los símbolos OFDM individuales se aplica en la reducción del espectro de la señal fuera de banda. La novedad del procedimiento de la invención radica en producir huecos espectrales (notches) de más de 30 dBs dentro de una banda de forma eficiente, mediante el ajuste de la potencia enviada en ciertas portadoras, el enventanado de símbolos OFDM más prefijo cíclico y la utilización de valores adecuados de número de portadoras activas y tamaño de la IDFT (Transformada Inversa Discreta de Fourier) ; cosa que no puede deducirse del estado del arte anterior a esta patente. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención consiste en un procedimiento para la obtención de huecos espectrales en la transmisión de señales por la red eléctrica, que comprende el envío de señales mediante muítiplexación ortogonal por división en frecuencia (OFDM) , y donde los nodos de la comunicación cuentan con un transmisor, medios para añadir un prefijo cíclico y medios de conversión frecuencia a tiempo de los símbolos OFDM. Este procedimiento se caracteriza porque se ajusta la potencia de una o más portadoras de la señal OFDM selectivamente mediante la atenuación o bien mediante la eliminación de dichas portadoras, porque se aplica la transformada inversa discreta de Fourier (IDFT) que se utiliza para transformar la señal del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo con un número de puntos que selectivamente debe ser mayor o igual a 1024 si la IDFT es compleja o bien mayor o igual a 2048 si la IDFT es real, y porque, una vez añadido el prefijo cíclico, se multiplican los símbolos OFDM en el dominio del tiempo por una ventana. Gracias a ello, es posible conseguir huecos espectrales abruptos de más de 30 dBs de profundidad, lo cual es una gran ventaja ya que posibilita que la señal transmitida no interfiera con otros servicios licenciados que utilicen las mismas bandas de frecuencias que la señal que va a ser transmitida por la red eléctrica. Del mismo modo, el procedimiento de la invención permite ajustar la densidad espectral de potencia elegida para la transmisión de la señal, gracias a la posibilidad de introducir huecos espectrales dentro de banda. En una realización de la invención, la ventana utilizada es una ventana de coseno alzado. Esta ventana se ha seleccionado por tener una zona plana en tiempo y debido a sus características espectrales . En otra realización de la invención, dicha ventana de coseno alzado, que se puede definir a partir de su factor de caída (rolloff) , tiene un factor de caída menor o igual que 0,2. Además, la ventana tiene un tamaño en número de muestras mayor o igual a 2048, donde dichas muestras son muestras digitales previas al conversor digital analógico (DAC) del transmisor. Por otro lado, el número de portadoras cuya potencia se ajusta depende de la situación, anchura y profundidad de los huecos espectrales y de la forma de la ventana elegida para el proceso. Para producir un hueco espectral de la profundidad adecuada se ajusta la potencia de las portadoras situadas en el hueco espectral y de un número de portadoras adyacentes a las anteriores. Cuanto más rápidamente caigan los lóbulos secundarios de la representación frecuencial de la ventana seleccionada, _ C __ menor número de portadoras adyacentes deberán ser ajustadas para alcanzar la anchura y profundidad del hueco exigidas. Para realizar el ajuste de la potencia de las portadoras adecuadas se pueden utilizar varios procesos que pueden combinarse. El ajuste puede realizarse mediante una atenuación gradual, de forma que el lóbulo principal de la señal transmitida en las portadoras dentro del hueco espectral, o bien los lóbulos secundarios de las señales transmitidas si dichas portadoras son adyacentes, sean menores que la densidad espectral de potencia (PSD) exigida para la señal transmitida. Otra forma de realizar el ajuste es la eliminación directa de las portadoras afectadas, refiriéndose dicha eliminación a no transmitir potencia alguna en las portadoras que van a ser ajustadas, de forma que se eliminan las portadoras situadas dentro del hueco espectral y un número de portadoras adyacentes adecuado para conseguir que la densidad espectral de potencia (PSD) sea menor que la exigida para la señal transmitida en el hueco espectral. Ambos procesos de ajuste pueden utilizarse independientemente en las portadoras necesarias o bien combinarse, pudiendo eliminarse ciertas portadoras y atenuarse otras. A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1.- Representa un ejemplo de densidad espectral de potencia (PSD) que la normativa exige en la transmisión de señales en la banda de 2 a 30 MHz para proteger servicios licenciados en dichas frecuencias. Figura 2.- Representa un ejemplo de ventana que puede utilizarse en el proceso de la invención. Figura 3. - Representa un diagrama de bloques del proceso de enventanado de una señal muestreada. Figura 4.- Representa varias ventanas típicas tanto en tiempo como en frecuencia. Figura 5.- Representa ventanas en coseno alzado con varios factores de rolloff (β) tanto en tiempo como en frecuencia. Figura 6. - Representa un diagrama de bloques del proceso de creación de huecos espectrales en transmisión. Figura 7.- Representa las ventanas utilizadas en el ejemplo de realización para conseguir un hueco espectral de 30 dBs de profundidad. DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN Seguidamente se realiza una descripción de un ejemplo de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras. En la transmisión de señales y el diseño de sistemas de comunicaciones por la red eléctrica, uno de los problemas más importantes es que el medio de transmisión no está apantallado, y parte de la señal transmitida a la red eléctrica radiará hacia el exterior, pudiendo interferir con sistemas licenciados que utilicen un rango de frecuencias solapado al rango de frecuencias utilizado en la señal transmitida. Con el objetivo de reducir estas interferencias, muchos países tienen una normativa sobre la densidad espectral de potencia máxima que puede radiarse o introducirse en la línea eléctrica. Por desgracia estas normativas varían de un país a otro, y por tanto es necesario crear huecos abruptos en el espectro que puedan ser ajustados para evitar radiar en determinadas frecuencias dependiendo del país. En la figura 1 puede observarse un ejemplo de densidad espectral de potencia que se exigiría para poder transmitir señales entre 2 y 30 MHz. Como se observa, existen múltiples huecos espectrales que deben ser respetados para poder transmitir en dicha banda. El procedimiento de la invención permite crear estos huecos espectrales en la señal transmitida de una forma eficiente y con ello ajustarse a la densidad espectral adecuada en cualquier caso. Tal y como se ha explicado anteriormente, el procedimiento de la invención utiliza el concepto de enventanado, que es conocido en el estado del arte. Por desgracia, dependiendo de la fuente técnica que se elija este concepto puede ser interpretado de una forma u otra, por lo que antes de introducir un ejemplo de realización del procedimiento de la invención, se enunciará el criterio de definición de "ventana" utilizado en este procedimiento. Enventanar una señal digital consiste en multiplicar las muestras de esta señal por una ventana. Esta ventana es otra señal digital que, en general, tiene un conjunto de muestras adyacentes distintas de cero. En la figura 2 puede observarse un ejemplo de ventana centrada en la muestra 0. Una vez elegida la ventana para utilizar en el proceso, es necesario realizar el enventando. En la figura 3 puede observarse el proceso de enventanado de la señal . Este enventanado se realiza mediante la multiplicación (1) de las muestras de la señal por las muestras de la ventana (para lo que la ventana se tiene que desplazar a la posición adecuada, en lugar de la muestra 0) . El proceso de enventanado de señales (multiplicación en el dominio temporal) afecta a la señal en el dominio frecuencial. Esta dependencia se puede observar en el teorema de la modulación o del enventanado:

y[n] = x[n}v[n] O Este teorema muestra que una multiplicación en el dominio temporal produce una convolución periódica por la forma de la ventana en el dominio de la frecuencia. Los lóbulos secundarios de la ventana en el dominio de la frecuencia determinarán la forma frecuencial de la señal de salida y[n] . En la figura 4 puede observarse la forma en el dominio del tiempo y de la frecuencia de algunas ventanas típicas (triangular, Bartlett y Chebyshev) conocidas en el estado del arte. En esta figura se puede observar que la forma de la ventana determina los lóbulos secundarios de la respuesta en frecuencia. Por ejemplo, la respuesta en frecuencia de Chebyshev se mantiene constante (en los lóbulos secundarios) , mientras que para Bartlett es superior en los lóbulos secundarios iniciales pero baja muy rápidamente en los siguientes. Para el ejemplo de realización que se describe, la ventana preferida es una ventana de coseno alzado. A continuación se enuncia la fórmula de la ventana de coseno alzado centrada en la muestra cero:

Donde N es el tamaño de la ventana definida como los valores de la ventana con valor (v[n] ) por encima de 0.5, y β es el factor de caída. En general una ventana de coseno alzado se puede definir por dicho factor de caída β (rolloff factor) . Dicho factor está siempre entre O y I e indica el exceso de señal que se transmite. Cuanto mayor es el factor de rolloff, más suave será la caída, tal y como puede observarse en la figura 5. En esta figura se muestran varias ventanas de coseno alzado tanto en tiempo como frecuencia, y su dependencia del factor de rolloff (β) . Cuando el factor de rolloff llega a 0, la ventana se - S - convierte en una ventana rectangular que presenta lóbulos secundarios muy elevados en frecuencia. Si se aumenta el valor de rolloff, se consiguen lóbulos secundarios menos elevados a cambio de sacrificar eficiencia. Esta pérdida de eficiencia se debe a que la ventana se incrementa de tamaño (donde el exceso se calcula como N*β) . Por otra parte si se utiliza un factor de rolloff demasiado bajo se pierde eficiencia porque los lóbulos secundarios no bajan lo suficiente y en ese caso se hace necesario incrementar el número de portadoras adyacentes al hueco espectral que deben ser ajustadas en potencia. Una forma de incrementar la eficiencia manteniendo el factor de rolloff es incrementar el número de portadoras de la señal OFDM. El número de portadoras adyacentes que deben ajustarse para crear un hueco espectral no variará respecto al caso anterior, pero como el número total de portadoras es mayor, la pérdida de eficiencia es menor en porcentaje. Es por ello que el procedimiento resulta aplicable a partir de un número determinado de portadoras de la IDFT. A la hora de realizar un diseño para la transmisión de señales sobre la red eléctrica, se ha calculado que el factor de rolloff tiene que ser inferior a 0.2, para tener una alta eficiencia. Del mismo modo, el número de muestras de la ventana deberá ser mayor de 2048. Para este ejemplo concreto de realización de la invención se utilizará un factor de rolloff de 0,15, un factor de 0,05 y 2600 muestras. Para realizar el proceso de la invención sobre la señal en transmisión (una vez elegida la ventana) se utiliza un diagrama de bloques como el mostrado en la Figura 6. En esta figura se introduce la señal que se quiere transmitir en cada portadora de la señal OFDM en un bloque (2) que ajusta la potencia de las portadoras adecuadas para crear los huecos espectrales necesarios. Principalmente se ajustará las portadoras situadas en el hueco espectral así como sus portadoras adyacentes. Cuanto mayor sea la caída de los lóbulos secundarios de la ventana de coseno alzado elegida, menor número de portadoras adyacentes deberán ser afectadas para conseguir el hueco espectral. A continuación, el bloque (3) de este ejemplo de realización realiza la transformada inversa rápida de Fourier (IFFT) de forma compleja que se utiliza convencionalmente para implementar la transformada inversa discreta de Fourier (IDFT) con modulaciones OFDM. Después el bloque (4) inserta el prefijo cíclico generado por el bloque (5) , y el bloque (6) multiplica la señal digital en el dominio del tiempo por la ventana generada por el bloque (7) . Para que el proceso de generación de huecos espectrales sea eficiente es necesario utilizar una OFDM con múltiples portadoras e IFFT con un gran número de puntos. En este ejemplo de realización, se utiliza una IFFT compleja de 1024 puntos. Finalmente, antes de transmitir y aunque este bloque no aparece en la figura 6, se realizaría la conversión de la señal digital a señal analógica mediante un conversor DAC. Para conseguir huecos espectrales abruptos no es suficiente la atenuación o eliminación de las portadoras situadas en las posiciones frecuenciales dentro del hueco espectral . Esto se debe a que existe potencia remanente debida a los lóbulos secundarios de las portadoras adyacentes que se produce, en su mayor parte, debido a transiciones de la señal OFDM que llegan a la zona espectral donde debe estar el hueco. Para evitarlo es necesario ajustar la potencia o bien eliminar también un cierto número de portadoras adyacentes a las portadoras situadas en las posiciones de los extremos del hueco. De esto se encarga el bloque (2) de la figura 6. Dependiendo de la forma de la ventana de coseno alzado generada por el bloque (7) , el número de portadoras adyacentes cuya potencia debe modificarse es mayor o menor, por lo que ambos bloques están interrelacionados. En la figura 7 puede observarse la forma de dos ventanas de coseno alzado con los valores elegidos en este ejemplo de realización (factor de rolloff 0,15 y factor de rolloff 0,05, y número de muestras 2600) . En este caso, por ejemplo, si se quiere conseguir un hueco espectral de 30 dBs de profundidad, habría que ajustar la potencia de 4 portadoras adyacentes en el caso de utilizar el procedimiento de la invención con una ventana de coseno alzado con un factor de rolloff de 0,15 y un total de 7 portadoras adyacentes en el caso de utilizar un factor de rolloff de 0,05.

Claims

REIVINDICACIONES 1. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, que comprende el envío de señales mediante multiplexación ortogonal por división en frecuencia (OFDM) donde los nodos de la comunicación cuentan con un transmisor, medios para añadir un prefijo cíclico y medios de conversión frecuencia a tiempo de los símbolos OFDM; caracterizado porque comprende: - ajustar la potencia de una o más portadoras de la señal OFDM mediante un proceso seleccionado entre atenuación de las portadoras y eliminación de dichas portadoras; aplicar la transformada inversa discreta de Fourier (IDFT) para transformar la señal del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo con un número de puntos de al menos 1024 si dicha IDFT es compleja, y de al menos 2048 puntos si la IDFT es real; - añadir un prefijo cíclico, y a continuación multiplicar los símbolos OFDM en el dominio del tiempo por una ventana; para conseguir un efecto seleccionado entre conseguir huecos espectrales abruptos de más de 30 dBs de profundidad y sin interferir con servicios licenciados que utilicen las mismas bandas de frecuencias, conseguir cumplir con la densidad espectral de potencia requerida para la transmisión de la señal y una combinación de los mismos. 2. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicación 1, caracterizado porque la ventana utilizada para conseguir los huecos espectrales abruptos es una ventana de coseno alzado. 3. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicación 2, caracterizado porque la ventana de coseno alzado presenta un factor de caída (rolloff) de como máximo 0,2. 4. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicación 1, caracterizado porque la ventana tiene un número de muestras de al menos 2048, donde dichas muestras son muestras digitales previas al conversor digital analógico (DAC) del transmisor. 5. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicación 1, caracterizado porque el número de portadoras cuya potencia se ajusta depende de la posición, anchura y profundidad de los huecos espectrales, y de la forma de la ventana, para lo que para producir un hueco espectral se ajusta la potencia de las portadoras situadas en ese hueco y se ajusta la potencia de un número de portadoras adyacentes a las anteriores que será menor cuanto más rápidamente decrezcan los lóbulos secundarios de la ventana utilizada en el proceso de transmisión. 6. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicación 1, caracterizado porque el ajuste de la potencia de las portadoras se realiza por medio de una atenuación gradual, para que el lóbulo seleccionado entre el lóbulo principal de la señal transmitida en las portadoras dentro del hueco espectral y los lóbulos secundarios de las señales transmitidas si dichas portadoras son adyacentes, sean menores que la densidad espectral de potencia (PSD) exigida para la señal transmitida en el hueco espectral . 7. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicación 1, caracterizado porque el ajuste de la potencia de las portadoras se realiza mediante la eliminación de portadoras, refiriéndose esta eliminación a no transmitir potencia alguna en la portadora que va a ser ajustada, para eliminar las portadoras situadas dentro del hueco espectral y un número de portadoras adyacentes suficiente para conseguir que la densidad espectral de potencia (PSD) sea menor que la exigida para la señal transmitida en el hueco espectral . 8. PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIÓN DE HUECOS ESPECTRALES EN LA TRANSMISIÓN DE SEÑALES POR LA RED ELÉCTRICA, según reivindicaciones 6 y 7, caracterizado porque el ajuste de las portadoras se realiza mediante un proceso seleccionado entre atenuación gradual, eliminación, y una combinación de ambos.