ES2248026T3 - Sistema para estimular la ganancia compleja de un canal de transmision. - Google Patents

Abstract

Sistema para estimar la ganancia compleja de un canal de transmisión destinado a moduladores/desmoduladores de tipo paralelo utilizables en radiodifusión numérica caracterizado porque comprende: - un número determinado de N juegos de interpoladores (11 a 1N) para estimar la ganancia en un símbolo útil a partir de símbolos conocidos que constituyen referencias de ganancia regularmente dispuestas en la señal emitida, cada juego de interpoladores siendo adaptado a una situación particular de recepción, yendo de un canal mono-trayecto estable a un canal de fuerte dispersión temporal y fuerte inestabilidad, las salidas de los interpoladores estando acopladas a un dispositivo de selección (2) programado para seleccionar el juego interpolador (11 a 1N) que da el ruido menor estimado durante una duración determinada.

Description

Sistema para estimar la ganancia compleja de un canal de transmisión.

La presente invención concierne a un sistema para estimar la ganancia compleja de un canal de transmisión.

Se aplica específicamente en el campo de la radio difusión numérica que utiliza moduladores/desmoduladores paralelos en las bandas de grandes ondas, de ondas medias y de ondas cortas moduladas en amplitud.

La patente GB 2 247 812 describe un ecualizador cuyos parámetros son definidos por los valores de interpolación entre dos respuestas de impulsos del canal de transmisión.

Los procedimientos que presentan los mejores compromisos en costo y eficacia están basados en el empleo de un modulador/desmodulador paralelo, que es a menudo descrito como la juxtaposición de un gran número N de varias centenas de moduladores/desmoduladores elementales de bajo rendimiento de algunas decenas de bits por segundo calzado cada uno sobre una frecuencia central que le es propia. Esas frecuencias centrales se aproximan lo más posible unas a otras, para que el flujo binario de las informaciones transmitidas sea máximo en la banda de frecuencia atribuida al emisor.

A modo de ejemplo un modulador/desmodulador paralelo debe poder trabajar siguiendo los estándares actuales de radio difusión en el interior de una banda total de 9 kHz que comprende 288 portadores espaciados de 31,25 Hz, siendo cada uno modulado independientemente de sus vecinos, estando completamente sincronizados entre ellos.

Cuando el canal de transmisión es inestable, particularmente en ondas cortas, es esencial poder seguir sus variaciones y por tanto estimar su ganancia compleja en amplitud y fase a cada instante y en cada portador para poder utilizar un procedimiento de desmodulación llamado coherente que permite explotar de forma óptima las modulaciones multi-estados con gran eficacia espectral, es decir caracterizados por un gran número de bits/s transmitidos por Hz de banda ocupada.

La estimación de la ganancia compleja del canal se efectúa habitualmente por inserción de símbolos de amplitudes y de fases conocidos según un motivo regular predeterminado. Esos símbolos llevan también el número de "referencia de ganancia". Presentan una proporción tan escasa como sea posible de todos los símbolos transmitidos, siempre a fin de hacer máximo el flujo útil.

La ganancia compleja del canal en cualquier instante y en cualquier frecuencia puede entonces ser estimada por un procedimiento de interpolación que, a partir de las ganancias medidas en las referencias de ganancia, calcula la ganancia del canal en la posición deseada.

El procedimiento es comparable con aquel de una filtración, y consiste en calcular una suma ponderada de referencias de ganancias vecinas de la célula considerada.

Una primera solución conocida consiste en efectuar una interpolación temporal seguida de una interpolación de frecuencia. Dos pasos son entonces necesarios.

El primer paso consiste en estimar la ganancia compleja del canal en un símbolo determinado de cada uno de los portadores a partir de las referencias de ganancia situadas en el pasado y en el futuro por interpolación. Esta interpolación se hace mediante una combinación lineal de un número determinado Kt de referencias de ganancia.

El segundo paso consiste en efectuar una filtración según el eje de las frecuencias por un filtro oblicuo a fin de mejorar la estimación. Todas las ganancias estimadas en un instante determinado en los portadores vecinos de un portador dado son combinadas con la ganancia estimada en ese portador para mejorar la relación señal contra ruido. Esta interpolación tiene lugar en los portadores Kf.

En esta primera solución N es el número de portadores, y la complejidad del conjunto que resulta es proporcional a N.Kt + Nkf = N(Kt + Kf).

Una segunda solución consiste en efectuar una interpolación bidimensional. En ese caso, la estimación tiene lugar en un solo paso, y es el resultado de una combinación de interpolación temporal y de frecuencia. La ganancia estimada en un instante dado en un portador examinado es una combinación lineal de ganancias de referencias de ganancia presentes en el pasado, el presente y el futuro del instante considerado, en el portador examinado y sus vecinos.

Para obtener ejecuciones cercanas a aquellas de la primera solución, es necesario considerar un poco menos las referencias Kt.Kf de ganancia en cada interpolación y conservar aquellas que son "las más correlacionadas" con la ganancia a estimar, lo que equivale a una complejidad del orden de 3/4.N.Kt.Kf.

Una tercera solución consiste en efectuar una proyección en los vectores propios. En ese caso la señal recibida es considerada como resultante de la suma de R réplicas de la señal original transmitida en un canal multi-trayectos. El conjunto de ganancias del canal consideradas en un instante dado y en los N portadores puede ser reducida a un vector de ganancia que es la suma de R vectores de evolución lenta (banda estrecha) más o menos des-correlacionados y de un vector de ruido aleatorio.

El método utilizado consiste en calcular la auto-correlación de las ganancias según el eje de frecuencias, en formar una matriz que tiene sus auto-correlaciones como coeficientes, en encontrar sus valores propios, y conservar los vectores R propios que corresponden a los trayectos R.

El vector de ganancia es entonces proyectado en esos vectores propios y la proyección es considerada como el conjunto de ganancias lisas desprovistas de ruido.

La complejidad de este método está en lo que corresponde al cálculo de las N auto-correlaciones, seguido del cálculo de los valores propios de una matriz de dimensión NxN, es decir muy elevada.

Finalmente una cuarta solución utiliza un método de filtración adaptable que consiste en utilizar uno de los dos métodos de interpolación, tiempo después frecuencia o bidimensional, y en hacer variar los coeficientes de los filtros interpoladores en el curso del tiempo según métodos matemáticos bien conocidos, como el algoritmo del gradiente o del gradiente simplificado, el algoritmo del signo, o incluso aquel que consiste en efectuar nuevamente el mismo cálculo a intervalos regulares. En ese caso, el grado de complejidad es intermedio entre aquel de los métodos de interpolación fijados y de proyección. Esta solución presenta riesgos de inestabilidad en el caso de canales fuertemente perturbados como es el caso de la banda HF de ondas cortas.

El objeto de la invención es el de aportar una solución inferior a la óptima que se dirige a obtener ejecuciones comparables a aquellas de los métodos más difíciles citados precedentemente teniendo una muy poca complejidad que es una condición sine qua non para que el receptor tenga un costo de adquisición y de uso aceptable, conociendo que el canal no está siempre perturbado de la misma forma. Las condiciones de recepción de las diferentes estaciones de radiodifusión que es posible recibir en un instante dado son en efecto muy variables, ciertas estaciones siendo recibidas "fuerte y claro", mientras que otras son afectadas por ruidos y distorsión. En esas condiciones, parece evidente que el trabajo que tendrá que efectuar el estimador de canal del receptor no será el mismo en los dos casos.

Peor aún, se ha constatado que un interpolador adaptado a un canal perturbado degrada las ejecuciones en un canal de buena calidad, lo que puede explicarse considerando que un interpolador se comporta como un filtro de alisado de paso bajo que debe ser ancho cuando el canal es inestable y más bien estrecho cuando el canal es estable. En el caso donde el filtro está adaptado a un canal inestable y el canal es estable, ese filtro va a recibir demasiado ruido además de la señal útil que representa las referencias de ganancia recibidas. Si por el contrario, el filtro está adaptado a un canal estable y el canal evoluciona rápidamente, se hace imposible seguir sus evoluciones, por más que, haya poco ruido, el canal es mal estimado y la calidad del estimador es mediocre.

Por lo tanto conviene tener en cada instante interpoladores suficientemente adaptados a la situación corriente que dependen de la hora y de la estación recibida, las ejecuciones que pueden ser menos buenas que con interpoladores óptimos pero suficientes para que la degradación pase inadvertida.

A este efecto, la invención tiene por objeto, un sistema para estimar la ganancia compleja de un canal de transmisión destinado a moduladores/desmoduladores de tipo paralelo utilizables en radiodifusión numérica caracterizado porque comprende:

- un número determinado de N juegos interpoladores para estimar la ganancia en un símbolo útil a partir de símbolos conocidos que constituyen referencias de ganancia regularmente dispuestos en la señal emitida, cada juego de interpoladores estando adaptado a una situación particular de recepción, yendo de un canal mono-trayecto estable a un canal de fuerte dispersión temporal y fuerte inestabilidad, dichas salidas de los interpoladores estando acopladas a un dispositivo de selección programado para seleccionar el juego de interpoladores que da el ruido más pobre estimado durante una duración determinada.

La invención tiene como ventaja aquella de una gran facilidad de ejecución, los algoritmos utilizados para el cálculo de los criterios de selección siendo similares a aquellos normalmente necesarios para efectuar una desmodulación. El aumento de la potencia de cálculo necesaria es escasa ya que los criterios de selección son calculados solamente en las referencias de ganancia. La invención tiene igualmente como ventaja aquella de proponer una adaptación a más pequeño costo en condiciones de recepción extremadamente variables. En fin permite obtener una casi optimización, a saber una pobre degradación de las ejecuciones con relación a aquellas que podrían ser obtenidas con un sistema constantemente óptimo.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán con la ayuda de la descripción que sigue hecha en relación con los dibujos anexos que representan:

La figura 1 un modo de organización de un sistema interpolador según la invención.

La figura 2 una repartición de símbolos de referencia de ganancia en un canal de transmisión que comprende varios portadores modulados en paralelo así como una ilustración del modo de cálculo por interpolación que es efectuado según la invención.

La figura 3 las diferentes etapas del procedimiento según la invención puestas bajo la forma de un organigrama.

La solución propuesta por la invención consiste en utilizar varios juegos de interpoladores adaptados cada uno a una situación dada, cada situación estando ella misma caracterizada por una dispersión Doppler que corresponde a la velocidad a la cual el canal evoluciona y por una "dispersión temporal", que corresponde a la diferencia entre las dos réplicas de la señal original que llegan al receptor más pronto y más tarde. Mientras más rápido evoluciona el canal, más importante es la dispersión Doppler. La dispersión temporal es una medida de la dispersión del canal de transmisión.

Cada juego de interpoladores efectúa un estimado de la ganancia de canal en uno o varios portadores a partir de referencias de ganancia transmitidas en esos portadores.

A cada juego de interpoladores está asociado un criterio de selección. El n^{simo}criterio es la estimación del error de interpolación que puede ser obtenido en término medio utilizando el n^{simo} juego de interpoladores. Si el n es mínimo, es lógicamente el n^{simo} juego de interpoladores que debe ser utilizado.

Para este fin el sistema representado en la figura 1 comprende N juegos de interpoladores referenciados de 1_{1} a 1_{N} en las entradas a las cuales son aplicadas las señales desmoduladas de un canal de transmisión. Las salidas de los juegos de interpoladores están acopladas a un dispositivo de selección 2 por medio de N dispositivos estimadores de ruido referenciados de 3_{1} a 3_{n}.

El criterio de selección consiste en evaluar en un instante dado el término medio de la diferencia entre las referencias de ganancia y sus valores tales como son calculados a partir de referencias de ganancia vecinas. Ese cálculo es hecho por medio de un filtro especial característico del juego de interpoladores considerado. Consiste como lo muestran las etapas 4 a 8 del organigrama de la figura 3 en efectuar en la etapa 5, para cada símbolo considerado en la etapa 4 como una referencia de ganancia, un estimado de esa ganancia por la filtración a partir de ella misma y de sus vecinas, y en calcular en la etapa 7 la diferencia media entre el valor estimado y el valor de ganancia observado en la etapa 6. Mientras menor sea la diferencia, mejor será juzgado el juego de interpoladores utilizado para el cálculo. Ya que el calculo se efectúa en una referencia de ganancia, y que esos últimos representan una proporción escasa de los símbolos transmitidos, eso se traduce en un aumento casi despreciable de la potencia de cálculo necesaria.

Para determinar cuál es el mejor juego de interpoladores que corresponde a las condiciones corrientes el procedimiento examina en uno o varios portadores las posiciones solas que corresponden a instantes conocidos t=...t-2, t-1, t, t+1, t+2... donde la señal recibida r(t) posee una ganancia conocida Z(t) determinada para cada uno de esos instantes, como es representado en la figura 2. En ese caso la ganancia del canal directo g(t) es determinada por la relación:

(1)g(t) \ director = \frac{r(t)}{z(t)}

La ganancia g(t) directa del canal en un instante t es obtenida por interpolación teniendo en cuenta las ganancias directas del canal en los diferentes instantes de recepción de las señales enmarcando el instante t según la relación:

(2)g(t) \ indirector = \sum b_{ik} \ \frac{r(t + dt(i))}{z(t + dt(i))}

con dt(i) \neq 0 y donde b_{ik}designa los coeficientes adaptados al ancho de banda de variación del canal.

El cálculo de la diferencia media Q(k) es determinado en la etapa 7 por la relación:

(3)Q_{k} = < l \ g(t) \ indirecto - g(t) \ directo \ l^{2}>_{k}

El cálculo precedente es repetido para cada juego de interpoladores. El juego de interpoladores retenido en la etapa 8 es aquel para el cual la esperanza matemática Q_{k} definida por la relación (3) es mínima y aparece la mayoría de las veces en una ventana de tiempo determinada.

Claro está teniendo en cuenta el carácter aleatorio del ruido presente de manera permanente, una estrategia de alisado de las decisiones es ejecutada por los bloques estimadores de ruido 3_{1} a 3_{n} de la figura 1. Esta estrategia puede consistir por ejemplo, en decidir que el nuevo juego de interpoladores que está en curso de examen es el correcto cuando el criterio definido por la relación (3) es mínimo al menos un número determinado de veces a continuación del curso de un número determinado de símbolos sucesivos, o en conservar el viejo en el caso contrario. El juego de interpoladores es modificado yendo a un juego vecino que corresponde a una dispersión temporal un poco más importante o un poco más pobre o que corresponde a una dispersión de frecuencia un poco más importante o un poco más pobre.

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En la práctica, se trata que el sistema pueda estar limitado a un número igual de tres juegos de interpoladores, un juego de interpoladores para condiciones poco severas es decir de escasa dispersión temporal y canal estable, un juego de interpoladores para las condiciones más severas que puede soportar el sistema, y un juego de interpoladores para condiciones intermedias entre esos dos extremos.

Claims (4)

1. Sistema para estimar la ganancia compleja de un canal de transmisión destinado a moduladores/desmodul adores de tipo paralelo utilizables en radiodifusión numérica caracterizado porque comprende:

- un número determinado de N juegos de interpoladores (1_{1} a 1_{N}) para estimar la ganancia en un símbolo útil a partir de símbolos conocidos que constituyen referencias de ganancia regularmente dispuestas en la señal emitida, cada juego de interpoladores siendo adaptado a una situación particular de recepción, yendo de un canal mono-trayecto estable a un canal de fuerte dispersión temporal y fuerte inestabilidad, las salidas de los interpoladores estando acopladas a un dispositivo de selección (2) programado para seleccionar el juego interpolador (1_{1} a 1_{N}) que da el ruido menor estimado durante una duración determinada.

2. Sistema según la reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo de selección (2) evalúa (5, 6, 7) en un instante dado y para cada juego de interpoladores, el término medio de la diferencia entre las referencias de ganancia y sus valores calculados a partir de las referencias de ganancia vecinas.

3. Sistema según la reivindicación 2 caracterizado porque el dispositivo de selección (2) selecciona (8) el juego de interpoladores para el cual el valor calculado del término medio de la diferencia entre las referencias de ganancia y sus valores calculados a partir de las referencias de ganancia vecinas es mínimo y aparece la mayoría de las veces en el curso de una ventana de tiempo determinada.

4. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque los símbolos conocidos que constituyen las referencias de ganancia están repartidos en uno o varios portadores de un mismo canal de transmisión.