ES2629907T3

ES2629907T3 - Modulación con una constelación APSK que tiene un anillo con puntos separados irregularmente

Info

Publication number: ES2629907T3
Application number: ES14704317.8T
Authority: ES
Inventors: Daniel Delaruelle
Original assignee: Newtec CY NV
Current assignee: ST Engineering iDirect Europe CY NV
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: PL3206354T3; EP2957084A1; PL2957084T3; EP2957084B1; DK3206354T3; ES2696928T3; EP3206354A1; TR201815713T4; EP3206354B1; US20150372852A1; US9306791B2; WO2014124880A1; DK2957084T3

Abstract

Un método de modulación digital que comprende: - codificar una secuencia de bits de información a una secuencia de bits codificados y mapear la secuencia de bits codificados a una cadena de símbolos de modulación con el fin de producir una señal modulada, en donde dichos símbolos de modulación pertenecen a una constelación de señal de múltiples anillos (200, 201, 202, 203), teniendo dicha constelación de señal digital de múltiples anillos todos los puntos de señal situados en el menos dos anillos concéntricos (200, 201, 202, 203), con lo que a) el número total de puntos de señal es mayor que 8, b) al menos un anillo tiene puntos separados de forma no uniforme (201), y c) dicho al menos un anillo con puntos de señal separados de forma no uniforme está construido para formar junto con al menos un anillo vecino un subconjunto de anillos vecinos (202), con lo que cada punto de señal de dicho subconjunto tiene un único módulo de coordenada angular 2π y con lo que la separación angular de los puntos de señal de dicho subconjunto es uniforme.

Description

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DESCRIPCION

Modulacion con una constelacion APSK que tiene un anillo con puntos separados irregularmente Campo de la invencion

La presente invencion se refiere generalmente al campo de los sistemas de comunicacion digitales. Mas concretamente, se refiere a constelaciones de Modulacion por Desplazamiento de Amplitud Fase (APSK) para un enlace de comunicaciones digitales.

Antecedentes de la Invencion

En la presente invencion una constelacion APSK es considerada para un enlace de comunicaciones digital, por ejemplo un enlace de comunicaciones de satelite.

En un sistema de comunicaciones digital se puede, en el lado de la transmision, a menudo distinguir el proceso de codificacion y modulacion. Los bits de informacion son transformados primero en una secuencia de sfmbolos digitales (codificacion) y posteriormente la secuencia de sfmbolos digitales es transformada en una onda de transmision continua (modulacion). La onda de transmision normalmente tiene un espectro de banda de paso. Todavfa puede ser representado mediante una onda de transmision de banda de base compleja equivalente que tiene solo componentes de baja frecuencia. La onda de radio frecuencia se obtiene a partir de una onda de banda de base mediante modulacion de cuadratura y posiblemente conversion de frecuencia adicional. En los denominados esquemas de modulacion lineales, las onda de banda de base se obtiene como la superposicion de pulsos de duracion esencialmente finita, siendo cada pulso el producto de un sfmbolo de valor complejo con una instancia retrasada para un pulso conocido como respuesta de impulso de filtro de transmision. El conjunto finito de sfmbolos de valor complejo se conoce como constelacion. Una constelacion normalmente se representa como un conjunto de M puntos en un plano interpretando la parte real e imaginaria de cada uno de los M valores de sfmbolos como abscisa y ordenada con respecto a los ejes perpendiculares. En una constelacion de modulacion por Desplazamiento de Fase (PSK) todos los puntos estan situados en un drculo. En una constelacion APSK esta restriccion desaparece. En lo que sigue, la expresion mas antigua Modulacion de Amplitud de Cuadratura (QAM) no sera utilizada como lo utilizan algunos autores como un sinonimo de PASK y por otros para designar una forma especial de APSK en donde los puntos estan dispuestos en una malla densa rectangular o hexagonal.

La geometna de una constelacion determina la velocidad informacion mutua restringida de constelacion teorica en un sistema con una relacion dada de energfa de sfmbolos con respecto a densidad de potencia de ruido (SNR), y para la mejor codificacion posible binaria o no binaria. Los sistemas de comunicacion digital a menudo utilizan codificacion binaria. En ese caso, el codificador en general no mapea directamente los bits de mensaje a sfmbolos. En su lugar mapea los bits de mensaje a bits codificados. Posteriormente, un grupo de bits de codigo es utilizado para designar un sfmbolo de transmision. Esta ultima operacion moralmente se denomina mapeo y el grupo de log2M bits de codigo que designa un sfmbolo de transmision a partir de una constelacion M-aria se denomina etiqueta. Este proceso normalmente es reproducido en el lado de recepcion mediante desmapeado de bits, seguido de decodificacion binaria. El proceso de desmapeado de bits y decodificacion binaria se puede realizar de manera iterativa, cuya tecnica es conocida como desmapeado iterativo (como se detalla por ejemplo en el documento US6353911). Esto sin embrago implica una significativa complejidad. El desmapeado no iterativo y la codificacion/decodificacion binaria pueden por otra parte implicar una perdida de capacidad del enlace de constelacion en comparacion con la capacidad de Shannon.

La perdida se puede mitigar adaptando la geometna y el etiquetado de bits de la constelacion. La Figura de Merito de una eleccion particular de geometna y etiquetado de bits bajo codificacion binaria y el desmapeado no iterativo es a menudo valorado computando la denominada capacidad de Modulacion Codificada con Entrelazado de Bits (BICM). Esta capacidad BICM se puede conseguir pero lo contrario no ha sido mostrado, es decir, no ha sido probado que no se puedan conseguir regfmenes mas elevados que el regimen BICM. Claramente, el criterio de rendimiento ultimo es el rendimiento de regimen de error de un esquema de modulacion codificado. Para mas detalles de la computacion BICM se hace referencia al documento "Constellation Design for Transmission over Non-Linear Satellite Channels" (F. Kayhan and G. Montorsi, Globecom 2012).

Cuando se disenan constelaciones para utilizar en canales no lineales, tales como canales de satelite, a menudo se adoptan constelaciones de multiples anillos con puntos de senal uniformemente separados, como se ejemplifico en los documentos US7123663, US7239668 y US8369448. En "The capacity of average and peak-power-limited quadrature Gaussian channels", (S. Shamai. y Bar-David l., IEEE Trans. lnformation Theory, Vol. 41, lssue 4, Julio de 1995, pp. 1060-1071) una sustentacion teorica para tal diseno se da en el caso limitante de un numero infinito de puntos de constelacion y minimizacion de la capacidad de canal de entrada de sfmbolo de cuadratura de aditivo Gaussiano, denominado posteriormente como GAQC, con una restriccion de entrada de regimen de sfmbolo y una media y SNR de pico. Shamai muestra que una estructura de constelacion con anillos concentricos discretos y una disposicion de angulo uniforme por anillo se obtiene para una restriccion de NSR de pico. Sin embargo, todavfa para un canal de GAQC de entrada de sfmbolo, cuando se va a un numero infinito de puntos y se utiliza en su lugar capacidad BICM, se puede observar en el documento Kayhan que la estructura de anillo se rompe excepto para el

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anillo exterior. Notese que las constelaciones publicadas por Kayhan se obtienen a traves de la simulacion y no hay directrices de diseno manual. Cuando se impone simetna de cuadrante, obviamente los puntos internos se dan en grupos de 4 en un anillo, pero de otro modo no hay estructura aparente.

Otro importante aspecto de las comunicaciones digitales es la sincronizacion de portadora. La sincronizacion de portadora es necesaria debido a que el canal modifica la fase de senal entre la salida del transmisor y la entrada del receptor como resultado de varios factores, tales como

- los efectos de desplazamiento de baja frecuencia debidos al envejecimiento de los efectos termicos y oscilatorios

- el efecto Doppler, producido por el movimiento de los terminales o los dispositivos de repetidor, tales como un satelite

- fluctuaciones de fase aleatorias conocidas como ruido de fase, que se producen en osciladores locales utilizados para la conversion de frecuencia

La sincronizacion de portadora normalmente utiliza un mecanismo de retroalimentacion como un bucle de fase fija que adapta la fase del oscilador de referencia local en el receptor, con el fin de rastrear y cancelar las variaciones de fase en el canal. El bucle de fase fija (PLL) comprende un detector de error de fase (PED) que mide la diferencia de fases entre los sfmbolos recibidos y dicho oscilador de referencia. El PED puede hacer uso de cualesquiera sfmbolos conocidos de antemano (denominadnos sfmbolos piloto) o sfmbolos parcialmente conocidos en la secuencia de sfmbolo de transmision. Insertando tales sfmbolos se reduce ligeramente la capacidad del enlace de comunicacion digital para portar informacion util. Por lo tanto, a menudo el PED no utiliza tal conocimiento. Esta situacion se conoce como sincronizacion de portadora sin ayuda de datos (NDA). Los enlaces de comunicacion que comprenden correccion de errores potentes en general operan con relaciones de senal a ruido bajas. En tales condiciones, el ruido del sistema reduce la cantidad de informacion de fase transportada por cada sfmbolo. Esto es especialmente cierto en sincronizadores NDA, debido a que el ruido anadido introduce incertidumbre con respecto al valor del sfmbolo recibido y en consecuencia con relacion a la direccion en la que ajustar el oscilador de referencia local. La incertidumbre de fase introducida de este modo mediante un ruido aditivo en el canal se puede reducir seleccionado un valor mas bajo para el ancho de bandas Bl del ruido de bucle del PLL. Sin embrago, la seleccion de un ancho de banda mas inferior tambien reduce la capacidad de rastrear las variaciones de fase de canal, de manera que la seleccion del ancho de banda Bl del ruido de bucle, tfpicamente indica un compromiso entre dos contribuciones de error de fase; en primer lugar, la incertidumbre de fase residual causada por la filtracion limitada de los efectos de ruido aditivo, y, en segundo lugar, la fase de canal no rastreada residual causada. Obviamente sena deseable limitar tanto como sea posible el error de fase. Sin embargo, un experto en la tecnica de comunicacion digital entendera facilmente que la reduccion de la primera contribucion permite el requilibrado del efecto combinado de ambas contribuciones consiguiendo un rendimiento de error de fase total mejor.

En el documento GB2471876 se describe un metodo para reducir la relacion entre la potencia y pico de trasmision y la potencia media en un sistema OFDM. Un sfmbolo de una constelacion de sfmbolos estandar es colocado en un punto cero mientras se mantiene la minima distancia entre sfmbolos de la constelacion de sfmbolo estandar. La nueva constelacion se utiliza para la reduccion de la relacion entre el pico y la potencia media en sistemas OFDM mediante la asignacion del punto cero a la subportadora con la potencia de recepcion mas baja.

Por lo tanto, existe una necesidad de una solucion en la que se superen las desventajas y las limitaciones de las soluciones de la tecnica anterior.

Sumario de la invencion

Es un objetivo de las realizaciones de la presente invencion proporcionar un esquema de constelacion que permita en rendimiento mejorado y que tambien se pueda aplicar de manera ventajosa en un esquema de sintonizacion de portadora.

El objetivo anterior se consigue mediante una solucion de acuerdo con la presente invencion.

En un primer aspecto, la invencion se refiere a una modulacion digital que comprende:

- generar una cadena de sfmbolos de modulacion con el fin de producir una senal modulada, en donde dichos sfmbolos de modulacion pertenecen a una constelacion de senal digital de multiples anillos, teniendo dicha constelacion de senal digital de multiples anillos todos los puntos de senal situados en al menos dos anillos concentricos, por lo que

a) el numero total de puntos de senal es mayor que 8,

b) al menos un anillo tiene puntos separados de forma no uniforme, y

c) dicho al menos un anillo con puntos de senal separados de forma no informe esta construido para formar junto con al menos un anillo vecino, un subconjunto de anillos vecinos, con lo que cada punto de senal del subconjunto tiene un unico modulo de coordenadas angulares 2n y con ello la separacion angular de los puntos de senal del

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subconjunto es uniforme.

El uso de la constelacion propuesta, de hecho, produce un rendimiento mejorado sobre las constelaciones de la tecnica anterior. La mejora del rendimiento basicamente resulta del grado adicional de libertad, obtenido mediante la mitigacion de la restriccion de que todos los anillos requieran puntos de senal uniformemente separados. La estructura regular del subconjunto de anillos vecinos con puntos de senal que tienen una separacion angular uniforme contribuye a una mejor idoneidad de la constelacion para los fines de sincronizacion de portadora, en comparacion con las constelaciones de la tecnica anterior que carecen de tal estructura angular regular.

En una realizacion ventajosa, el numero de puntos de senal situados en el anillo exterior es mayor que el numero total de puntos de senal dividido por el numero de anillos, de manera que la constelacion esta adaptada para utilizarse en un canal de comunicaciones no lineal.

En una realizacion preferida, la coordenada angular unica de dichos puntos de senal de dicho subconjunto viene dada por 0o + 2kn/K con K indicando el numero de puntos de senal en dicho subconjunto k = 0, 1, ..., K-1 y 0o indicando un valor no negativo predeterminado menor que 2kn/K.

En una realizacion, al menos una relacion de radios de anillo de al menos dos anillos concentricos es optimizada para maximizar la Modulacion Codificada con Entrelazado de Bits para un canal de entrada de sfmbolo de modulacion de cuadratura de aditivo Gaussiano con una relacion de senal de pico a ruido predeterminada.

En otra realizacion, al menos una relacion de radios de anillo de al menos dos anillos concentricos es optimizada para minimizar una indicacion de una relacion de senal a ruido de un canal de entrada de onda de fuerte limitacion que consigue una relacion de error de cuadro predeterminada para un codigo de bloque de error hacia delante predeterminado.

En realizaciones preferidas, adaptadas para regfmenes de codigo 128/180, 132/180 y 140/180, respetivamente, la constelacion de senal digital, designada como 4 + 8 +4 +16APSK, tiene 32 puntos y cuatro anillos, teniendo los tres anillos mas exteriores de dichos cuatro anillos 8, 4 y 16 puntos, respetivamente. Los anillos mas exteriores tienen una relacion con respecto al radio del anillo interno, esencialmente dada por

constelacion adaptada para: anillo con 8 puntos anillo con 4 puntos anillo con 16 puntos

regimen de codigo 128/180: 2,6 2,99 5,6

regimen de codigo 132/180: 2,6 2,86 5,6

regimen de codigo 140/180: 2,8 3,08 5,6

En una realizacion ventajosa, el metodo comprende una etapa de aplicacion de un codigo de bloque de correccion de error de codigo de comprobacion de paridad de baja densidad a una cadena de bits de informacion y mapear los bits codificados con el fin de obtener una cadena de sfmbolos digitales para ser modulados.

En otro aspecto, la invencion se refiere a un transmisor para un sistema de comunicacion digital que comprende un modulador dispuesto para modular una secuencia de sfmbolos digitales. Los sfmbolos digitales pertenecen a una constelacion de multiples anillos teniendo la constelacion de senal digital de multiples anillos todos los puntos de senal colocados en al menos dos anillos concentricos, mediante lo cual

a) el numero total de puntos de senal es mayor que 8,

b) al menos un anillo tiene puntos separados de forma no uniforme, y

c) dicho al menos un anillo con puntos separados de forma no uniforme estan construidos para formar junto con al menos un anillo vecino un subconjunto de anillos vecinos, con lo que cada punto de senal de dicho subconjunto tiene un unico modulo de coordenadas angulares 2n y con lo que la separacion angular de los puntos de senal del subconjunto es uniforme.

Preferiblemente el transmisor comprende un codificador para codificar una secuencia de bits de informacion y para producir una secuencia de bits codificados y un mapeador de bits dispuesto para ser alimentado con dicha secuencia de bits codificados y para obtener dichos sfmbolos digitales mediante mapeo de dichos bits codificados.

En otro aspecto, la invencion se refiere a un receptor para un sistema de comunicacion digital que comprende un desmodulador dispuesto para desmodular una secuencia de sfmbolos digitales. Los sfmbolos digitales pertenecen a una constelacion de multiples anillos, teniendo dicha constelacion de senal de multiples anillos todos los puntos de senal situados en al menos dos anillos concentricos, con lo que

a) el numero total de puntos de senal es mayor que 8,

b) al menos un anillo tiene puntos separados de manera no uniforme, y

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c) dicho al menos un anillo con puntos de senal separados de manera no uniforme esta construido para formar junto con al menos un anillo vecino un subconjunto de anillos vecinos, con lo que cada punto de senal de dicho subconjunto tiene un unico modulo de coordenadas angulares 2n y con lo que la separacion angular de los puntos de senal del subconjunto es uniforme.

Preferiblemente, el receptor comprende un desmapeador de bits dispuesto para ser alimentado con la secuencia de sfmbolos desmodulada procedente del desmodulador y para desmapear los sfmbolos desmodulados y un codificador dispuesto para recibir los sfmbolos desmapeados desmodulados y para obtener valores de bit.

De manera ventajosa, el desmapeador de bits en el receptor esta dispuesto para realizar operaciones de desmapeado iterativas.

En un aspecto mas, la invencion se refiere tambien a un sistema de comunicacion digital que comprende un transmisor como se ha descrito previamente y un receptor como se ha descrito.

Con el fin de resumir la invencion y las ventajas conseguidas sobre la tecnica anterior, han sido descritos anteriormente ciertos objetivos y ventajas de la invencion. Por supuesto, se entiende que no necesariamente todos los citados objetivos y ventajas se pueden conseguir de acuerdo con una realizacion particular de la invencion. De este modo, por ejemplo, los expertos en la tecnica reconoceran que la invencion puede ser llevada a la practica o realizada de manera que consiga u optimice una ventaja o grupo de ventajas como se han ensenado aqu sin conseguir necesariamente otros objetivos o ventajas como se pueden ensenar o sugerir en la presente.

Los anteriores y otros aspectos de la invencion se haran evidentes de, y seran aclarados con referencia a, la relocalizacion(es) descritas mas adelante.

Breve descripcion de los dibujos

La invencion se describira a continuacion de forma adicional, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que los mismos numeros de referencia se refieren a elementos iguales en las distintas figuras.

La Fig. 1 ilustra un diagrama de bloques de un sistema de comunicacion digital que emplea constelaciones.

La Fig. 2 ilustra una constelacion de multiples anillos de acuerdo con la invencion.

La Fig. 3 ilustra la geometna y etiquetado de una constelacion de 32-APSK de acuerdo con la invencion.

La Fig. 4 ilustra la geometna y etiquetado de una constelacion de 32-APSK de la tecnica anterior, en lo que sigue denominada constelacion A, mostrada en (ETSI EN 302 307 v1.2.1: Second generation framing structure, channel coding and modulation systems for Broadcasting, Interactive Services, News Gathering and other broadband satellite applications), en lo que sigue llamada norma DVB-S2. Sirve como caso de referencia en las computaciones y simulaciones de rendimiento.

La Fig. 5 ilustra la geometna y etiquetado de otra constelacion 32-APSK de la tecnica anterior, en lo que sigue denominada como constelacion B, reportada por Kayhan como un esquema optimizado para un pico SNR de 15dB. Sirve como caso de referencia en las computaciones y estimaciones de rendimiento.

La Fig. 6 ilustra la capacidad BICM computada como una funcion del SNR media, para dicha constelacion 32-APSK de acuerdo con la invencion y las constelaciones de la tecnica anterior A, A* y B, en donde A* tiene un etiquetado de bits como se ha informado en el documento US8369448.

La Fig. 7 ilustra la capacidad BICM computada en funcion del SNR de pico, para dicha constelacion 32-APSK de acuerdo con la invencion y las constelaciones A y B de la tecnica anterior.

La Fig. 8 ilustra una ley AM/FM del amplificador de canal en un canal de fuerte limitacion.

La Fig. 9 ilustra el rendimiento de Regimen de Error de Cuadro simulado para dicha constelacion 32-APSK de acuerdo con la invencion y las constelaciones A y B de la tecnica anterior, siendo cada constelacion utilizada en combinacion con una codigo 5/6 LDPC de regimen y transmision en un canal de fuerte limitacion.

La Fig. 10 ilustra el rendimiento de Regimen de Error de Cuadro simulado para una constelacion 32-APSK de acuerdo con la invencion y las constelaciones de la tecnica anterior A y B, siendo cada constelacion utilizada en combinacion con un codigo 7/9 LDPC de regimen y transmision sobre un canal de fuerte limitacion.

La Fig. 11 ilustra el jitter de sincronizacion de portadera computado como una funcion del SNR medio, para dicha constelacion 32-APSK de acuerdo con la invencion y las constelaciones de la tecnica anterior A y B.

La Fig. 12 ilustra el jitter de sincronizacion de portadora computado como una funcion del SNR de pico, para dicha constelacion 32-APSk de acuerdo con la invencion y las constelaciones A y B de la tecnica anterior.

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Descripcion detallada de las realizaciones ilustrativas

La presente invencion se describira con respecto a las realizaciones particulares y con referencia a ciertos dibujos pero la invencion no se limita a las mismas sino que unicamente esta limitada por las reivindicaciones.

Ademas, los terminos primero, segundo y similares en la descripcion y el las reivindicaciones son utilizados para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir una secuencia, o bien temporal o bien espacialmente, en clasificacion o de cualquier otra forma. Se entiende que los terminos utilizados asf son intercambiables bajo condiciones apropiadas y que las realizaciones de la invencion descritas aqrn son capaces de funcionar en otras secuencias a las descritas e ilustradas aqrn.

Se ha de observar que la expresion "que comprende", utilizada en las reivindicaciones, no debena ser interpretada como restrictiva a los medios enumerados a en lo que sigue; no excluye otros elementos o etapas. De este modo ha de ser interpretada como que especifica la presencia de caractensticas establecidas, numeros enteros, etapas o componentes como se refieren a, pero no excluyen la presencia o adicion de uno o mas de otras caractensticas, numeros enteros, etapas o componentes, o grupos de los mismos. De este modo, el alcance de la expresion "un dispositivo que comprende medios A y B" no debena estar limitada a dispositivos que consten solo de los componentes A y B. Significa que con respecto a la presente invencion, los unicos componentes relevantes del dispositivo son A y B.

La referencia en esta memoria a "una realizacion" significa que una caractenstica, estructura o caractensticas particulares descritas en combinacion con las realizaciones estan incluidas en al menos una realizacion de la presente invencion. De este modo, las apariciones de las frases "en una realizacion " en varios lugares en toda la memoria no necesariamente se refieren todas a la misma realizacion, pero puede que sf. Ademas, las cualidades, estructuras y caractensticas particulares se pueden combinar de cualquier manera adecuada, como resultara evidente para los expertos en la tecnica a partir de la descripcion, en una o mas realizaciones.

De manera similar, se debena apreciar que en la descripcion de las realizaciones a modo de ejemplo, diversas caractensticas de la invencion estan a veces agrupadas juntas en una unica realizacion, figura o descripcion de la misma con el fin de hacer mas eficiente la descripcion y ayudar a la comprension de uno o mas de los distintos aspectos de la invencion. Este metodo de la descripcion, sin embargo no se debe interpretar como que refleje la intencion de que la invencion reivindicada requiera mas caractensticas que las mencionadas expresamente en cada reivindicacion. En su lugar, como las siguientes reivindicaciones reflejan, los aspectos de la invencion son menos que todas las caractensticas de una unica realizacion descrita en lo que sigue. De este modo, las reivindicaciones que siguen a la descripcion detallada estas aqrn expresamente incorporadas en este decision detallada, cada una de las cuales constituyendo por sf mismo una realizacion separada de esta invencion.

Se ha de observar que el uso de una terminologfa particular cuando se describen ciertas caractensticas y aspectos de la invencion no debe ser tomado como que implique que la terminologfa esta siendo redefinida aqrn para restringir que incluya cualesquiera caractensticas espedficas de las cualidades o aspectos de la invencion con la que esta asociada la terminologfa.

En la descripcion proporcionada aqrn, se exponen numerosos detalles espedficos. Sin embargo, se entiende que las realizaciones de la invencion se pueden llevar a la practica sin estos detalles espedficos. En otros casos, no se han mostrado con detalle metodos, estructuras y tecnicas bien conocidas con el fin de no oscurecer la comprension de esta descripcion.

La presente invencion se refiere a un transmisor y a un receptor para un sistema de comunicacion digital.

La Fig. 1 muestra un sistema de comunicacion digital. Los datos digitales que entran son codificados con un codigo de correccion de error hacia delante. Este codificador puede ser un unico codificador, pero tambien puede ser la concatenacion de varios codificadores. En el caso de que el codificador utilice codigo binario, la salida es una cadena de bits codificados. Despues los bits son mapeados a sfmbolos que pertenecen a una cierta constelacion tal como PSK, APSK, QAM. Un entrelazador puede ademas reordenar los bits de codigo para el mapeo con el fin de mejorar todo el rendimiento del sistema. Una persona experta en la tecnica de comunicaciones digitales entendera facilmente que el codificador, entrelazador y el mapeador pueden en momentos diferentes emplear reglas de codigo diferentes, entrelazando reglas y constelaciones. Un experto en la tecnica de comunicaciones digitales entendera facilmente que las reglas y las constelaciones se pueden variar utilizando un patron fijo o adaptativo, tecnicas comunmente conocidas como codificacion y modulacion variables (VCM) y codificacion y modulacion adaptativas (ACM). La presente invencion se refiere a un diseno de constelacion particular y por tanto por extension a cualquier sistema o esquema de comunicacion digital que utilice este diseno de constelacion todo el tiempo o solo una fraccion de tiempo. Un experto en la tecnica de comunicaciones digitales entendera facilmente que ademas pueden ser insertados sfmbolos conocidos a priori con el fin de ayudar a la sincronizacion del receptor. Un experto en la tecnica de comunicaciones digitales entendera que los valores de la secuencia de sfmbolos se pueden modificar utilizado tecnicas de predistorsion conocidas con el fin de combatir la distorsion lineal y no lineal en el canal. La secuencia de sfmbolos original o modificada es entonces suministrada a un modulador que aplica filtrado de transmision y modulacion de cuadratura. El modulador genera una onda que es transmitida a traves de un canal, tal

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como un canal de comunicaciones de satelite. En el lado de receptor, la onda es desmodulada para obtener el valor de recepcion de los sfmbolos. El valor de recepcion de un s^bolo no es exactamente igual al valor de transmision, debido a los efectos del canal tales como la adicion de ruido y distorsion. Los sfmbolos son posteriormente desmapeados. El desmapeador produce, por ejemplo, las relaciones de probabilidad de los bits codificados, que a continuacion se van a suministrar al decodificador. Al igual que el codificador, el decodificador puede estar compuesto por uno o mas decodificadores concatenados. Los expertos en la tecnica de receptores digitales entenderan facilmente que uno o mas decodificadores pueden procesar la informacion recibida de una manera iterativa y uno o mas decodificadores tambien pueden intercambiar informacion con el desmapeador de una manera iterativa, como se ilustra en la Fig. 1. Tanto el receptor como de decodificador pueden proporcionar informacion referente a la calidad de la senal recibida, mas concretamente referente al margen de enlace. Esta informacion puede ser utilizada por la unidad de codificacion y modulacion adaptativa para influir en la seleccion de la codificacion actual, entrelazado, mapeo y parametros de constelacion, para incrementar la disponibilidad o la produccion del enlace de comunicacion.

La Fig. 2 muestra una constelacion APSK de acuerdo con la presente invencion. La constelacion tiene puntos de senal 204 situados en un conjunto de anillos concentricos. La constelacion puede comprender anillos 200 que tienen puntos uniformemente separados. Para cualquier constelacion de acuerdo con la presente invencion, utilizada durante una transmision, los puntos de senal en tal anillo estan definidos predeterminando los radios de anillo, el numero de puntos en el anillo y la coordenada angular de un punto. Con el fin de optimizar la capacidad de la constelacion para transferir informacion, al menos un anillo 201 tiene puntos separados uniformemente. Sin embargo, con el fin de facilitar la sincronizacion de receptor, cualquier anillo con puntos separados de manera no uniforme es construido para estar dentro de un subconjunto de anillos vecinos 202, de manera que todos los puntos de senal colocados en dicho subconjunto, cuyo numero esta designado como K, tienen coordenadas angulares unicas 00 + k9A, en donde k esta comprendido ente 0 y K-1 y A9 = 2n/K. Por lo tanto, los puntos de senal que pertenecen al subconjunto tienen una separacion angular uniforme. Como se detalla mas adelante, seleccionar las coordenadas angulares de los puntos de senal de manera que se obtenga una estructura regular, demuestra ser altamente beneficioso para realizar la sincronizacion de portadora, especialmente sincronizacion de portadora de baja complejidad. Esto constituye una mejora sustancial en comparacion con las constelaciones del documento de Kayhan. Para cualquier constelacion de acuerdo con la presente invencion, utilizada durante la transmision, los puntos de senal en dicho subconjunto de anillo 202 son descritos por los radios de anillo predeterminados para el subconjunto de anillos, el numero predeterminado de puntos de senal K, la coordenada angular predeterminada 9 de un primer punto de senal, y la asociacion predeterminada de cada punto de senal a un anillo particular (radio) en el subconjunto.

De manera ventajosa para la comunicacion digital a traves de los canales que comprende elementos no lineales, tales como canal de emision por satelite, el numero de puntos de senal situados en el anillo exterior 203 excede del numero de puntos de senal en la constelacion dividido por el numero de anillos en la constelacion. Un experto en la tecnica de comunicaciones digitales entendera facilmente que una misma geometna de constelacion puede ser descrita utilizando varias descripciones equivalentes.

Tambien resulta obvio para un experto en la tecnica que un factor de escalado de magnitud comun se puede aplicar a todos los puntos de constelacion sin cambiar el alcance de la invencion, dado que esta es equivalente a aplicar un factor de amplificacion de senal. Ademas, se puede aplicar una rotacion angular comun a todos los puntos de constelacion sin cambiar el campo de la invencion, dado que esto es equivalente a una rotacion de fase de senal de transmision.

La Fig. 3 muestra una geometna de constelacion 32 APSK y un etiquetado de bits de acuerdo con la presente invencion. Sera evidente para los expertos en la tecnica de comunicaciones digitales que el etiquetado de bits se puede sustituir por una constelacion 32-aria, sin cambiar el alcance de la invencion, por un etiquetado de bits obtenido aplicando cualquiera de factorial (5) = 120 permutaciones de las posiciones de bit para todos los sfmbolos de la constelacion (en donde 5 es el numero de posiciones de bit en una constelacion con 32 puntos); por ejemplo todas las etiquetas XYZWU pueden ser sustituidas por etiquetas de bit UXYZW. De manera similar, el etiquetado de bits mostrado puede ser sustituido, sin cambiar el alcance de la invencion, por el etiquetado de bit obtenido complementando cualquiera de los 25 = 32 subconjuntos de los 5 bits de etiqueta; por ejemplo para un subconjunto de singleton que consta del 4° bit, las etiquetas de bit XYZ0U son permutadas por las etiquetas XYZ1U. De manera similar, cuando una geometna de constelacion presenta una simetna, tal como una simetna rotacional o simetna especular, entonces las etiquetas de bits obviamente se pueden permutar de acuerdo con dicha geometna, con el fin de obtener una constelacion equivalente, sin salirse del alcance de la invencion.

A continuacion se presentan ventadas de la constelacion de acuerdo con la invencion sobre las constelaciones de la tecnica anterior. Las ventajas estan ilustradas en al menos una de las siguientes caractensticas: la capacidad de portar informacion, especialmente en un canal no lineal, y la adecuabilidad para la sincronizacion de portadora en terminos de rendimiento de sincronizacion y complejidad. Esto se expone y se ilustra para constelaciones 32-arias. Sera evidente para alguien experto en la tecnica de comunicaciones digitales que un mismo argumento de las ventajas de las caractensticas distintivas del diseno de constelacion de multiples anillos de la Fig. 2 se podna aplicar a una disenos de constelacion APSK con un numero diferentes de puntos, pro ejemplo a 64APSK.

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50

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La Fig. 4 muestra una primera geometna de constelacion y etiquetado de la tecnica anterior, en lo que sigue denominada constelacion A. Esta constelacion esta especificada en el estandar DVB-S2 y tiene una estructura de multiples anillos con puntos separados de manera equidistante en cada anillo. Los radios de anillo de esta constelacion de la tecnica anterior estan adaptados a un regimen de codigo de acuerdo con el estandar DVB-S2.

Otra constelacion de la tecnica anterior, descrita en el documento US8369448 y denominada en lo que sigue como A*, difiere de la constelacion A solo en el etiquetado de bits. El etiquetado de bits en el documento US8369448 sin embargo no aumenta ni disminuye ninguna de las ventajas ilustradas mas adelante. Por lo tanto, cualquier ilustracion de una mejora de una constelacion de acuerdo con la presente invencion sobre la constelacion A de la tecnica anterior se entiende que tambien describe una mejora identica verificada sobre la constelacion de la tecnica anterior A*. Esto solo se hace explfcito en el Fig. 6.

La Fig. 5 muestra una geometna de constelacion y etiquetado de la tecnica anterior adicional, en lo que sigue denominada constelacion B. Se obtiene en el documento de Kayhan como una geometna de constelacion y etiquetado de bits que maximiza la capacidad BICM para un canal de aloda de sfmbolo GAQM con un conjunto de SNR de pico igual a 15 dB. Es una constelacion de multiples anillos en la que el anillo exterior esta separado de manera no uniforme y no es miembro de un subconjunto de anillos cuyos puntos de senal tienen coordenadas angulares expresadas como 0o + kA9.

La Fig. 6 ilustra la capacidad BICM computada, de un canal de entrada de sfmbolo GACM con un SNR medio dado, para la constelacion 32APSK de acuerdo con esta invencion, en comparacion con las constelaciones de la tecnica anterior A y B. En resumen, para los regfmenes de informacion por debajo de 4,4 bits por uso de canal la ventaja de SNR requerida de la constelacion de acuerdo con esta invencion es de 0,1 a 0,5 dB en comparacion con la constelacion de la tecnica anterior A y aproximadamente 0,5 dB en comparacion con la constelacion de la tecnica anterior B. Como se ha explicado en la seccion de antecedentes. La capacidad BICM del canal de entrada de sfmbolos GACM es una buena prediccion de clasificacion de rendimiento conocida para canales lineales. Incluso aunque se focalice mas sobre las ventajas de rendimiento para un canal no lineal, se observa aqrn que la constelacion de acuerdo con la presente invencion esta mejor adaptada a canales lineales que las constelaciones de la tecnica anterior A y B.

La Fig. 7 ilustra una capacidad BICM computada de un canal de entrada de sfmbolo GACM con un SNR de pico dado, para una constelacion 32APSK dada de acuerdo con esta invencion, en comparacion con las constelaciones de la tecnica anterior A y B. Dado que la capacidad BICM de un canal de entrada de sfmbolo GACM con un SNR de pico dado fue el criterio de diseno en Kayhan, no es sorprendente ver que la constelacion B funciona mejor de acuerdo con este criterio. La constelacion de acuerdo con la presente invencion todavfa mantiene una ventada con respecto a la constelacion de la tecnica anterior A, de acuerdo con este criterio. Sin embargo, dicho criterio para un canal de entrada se sfmbolo no captura todos los aspectos, en particular los detalles mas finos, de un canal de entrada de onda continua uniforme.

Por tanto en la Fig. 9 y la Fig. 10 el rendimiento simulado se examina sobre una escala de entrada de onda no lineal con una caractenstica no lineal mostrada en la Fig. 8, el llamando canal de fuerte limitacion. Este canal no lineal esta considerado como una buena aproximacion de los amplificadores no lineales que circuitos de linearizacion, tales como los utilizados virtualmente en disenos de transpondedor de satelite actuales. En la Fig. 9, el rendimiento se ilustra con un codigo de comprobacion de paridad de densidad baja 5/6 de regimen con una longitud de 64800 bits de codigo y un entrelazador de bits de fila-columna, adaptado para cada constelacion al etiquetado de constelacion particular, con el fin de tener una comparacion imparcial. En la Fig. 10, el regimen de codigo se cambia a 7/9. Para la constelacion de la tecnica anterior A. los radios del anillo defino en el estandar DVB-S2 son utilizados otros regfmenes de codigo 5/6; para regimen de codigo 7/9 = 0,777 son adoptados radios de anillo definidos en el estandar DVB-S2 para el regimen de codigo mas cercano 3/4 = 0,750.

Se observa que la constelacion de acuerdo con la presente invencion funciona mejor que las constelaciones de la tecnica anterior. Los resultados indican que la clasificacion de rendimiento detallada de los esquemas de modulacion no se consigue cuando se utiliza como criterio de diseno a capacidad BICM para un modelo de canal de entrada de sfmbolo GACM restringido de SNR de pico.

La Fig. 9 y 10 tambien ilustran la aplicabilidad de las constelaciones de acuerdo con la invencion, cuando se combinan con codigos de correccion de error para un modelo de canal no lineal representativo de un canal de emision satelite.

De manera ventajosa, los radios de anillo de la constelacion 32-APSK de acuerdo con la invencion mostrados en la Fig. 3 estan adaptados para proporcionar umbrales de SNR bajos cuando se utilizan en un canal no lineal en combinacion con codigos LDPC de regimen 128/180, 132/180 y 140/180. En particular es beneficioso, para un canal no lineal de fuerte limitacion representativo de un canal de emision satelite, utilizar una relacion de los radios de anillo de los tres anillos mas exteriores con respecto al radio de anillo interior, para cada uno de dichos regfmenes de codigo como se muestra en la tabla mas adelante. El umbral SNR resultante, expresado como valor Csat/No, para un LDPC del estado de la tecnica con un diseno similar al diseno de codigo en el estandar DVB-S2, para un filtro de banda de base que excede en ancho de banda del 10%, fue computado para tener valores como se muestra en la

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25

30

35

40

tabla a continuacion.

constelacion adaptada para: relacion de radio de anillo con 8 puntos relacion de radio de anillo con 4 puntos relacion de radio de anillo con 16 puntos umbral Csat/No (en dB)

regimen de codigo 128/180: 2,6 2,99 5,6 14,50

regimen de codigo 132/180: 2,6 2,86 5,6 14,91

regimen de codigo 140/180: 2,8 3,08 5,6 15,84

En la Fig. 11 y la Fig. 12 la ventaja se ilustra de una constelacion 32-APSK de acuerdo con la presente invencion referente al nivel de la contribucion de error de fase debido al ruido de canal aditivo en un circuito sincronizador de portadora NDA. Esta ventaja se aprovecha para conseguir un error de fase total reducido cuando tambien estan presentes otras fuentes de error de fase, en particular ruido de fase de canal particular en enlaces de radio. Especialmente en sincronizadores de portadora NDA la contribucion de error de fase debido a ruido de canal de aditivo depende en gran medida del diseno de la constelacion, de la relacion de senal a ruido del parametro SNR o SNR de pico, del detector de error de fase particular (PED) utilizado en el PLL y del ancho de banda de ruido Bl de este PLL con relacion al regimen de sfmbolo de transmision. Los resultados de la Fig. 11 y 12 se aplican a un ancho de banda de bucle Bl de 0,01% veces el regimen de sfmbolo de transmision. Los detectores de fase considerados son

a) un detector optimo

b) un detector de retroalimentacion de decision (DFB)

c) un denominado detector Viterbi & Viterbi (V&V) con una periodicidad angular adaptada al numero de puntos sobre el anillo exterior de cada constelacion.

Un PED optimo se define como cualquier sincronizador con un rendimiento expresado por

imagen1

en donde v'arfoles el valor cuadrado medio del error de fase 0£ y p(y| 9) es la densidad de probabilidad para la observacion de un valor de sfmbolo de salida de canal AWGN y para un unico sfmbolo de recepcion que sufre una rotacion de fase residual 0. Ey denota una media sobre todos los posibles valores de salida del canal, en principio todo el piano complejo. Un ejemplo de un PED optimo es un PED que convierte el valor de salida de canal complejo

medido y en un valor de salida escalar p ,w dentro de un factor de escala fijo, o realiza cualquier funcion

sustancialmente igual a esta en una region del plano complejo que incluye todos lo puntos de constelacion. Como es bien conocido por los expertos en la tecnica, tal factor de escala es equivalente a una ganancia fija en el PLL y es compensado cuando se eligen los componentes del circuito o los factores de escala en una implementacion analogica o digital de un PLL, adaptado para realizar un ancho de banda de ruido de bucle prestablecido.

El diferente PED considerado aqu difiere significativamente en complejidad. La aproximacion del detector optimo es muy compleja para modulaciones de orden mas elevado. Un detector de retroalimentacion de decision tambien tiene complejidad sustancial ya que implica computar el valor de fuerte decision de un sfmbolo recibido. Ademas, tanto el detector de retroalimentacion optimo como de decision son para la mayona de constelaciones de orden mas elevado muy sensibles a errores en el nivel de senal medido.

Se observa a partir de la Fig., 11 y la Fig. 12 que la contribucion de jitter es sustancialmente mas elevada para la constelacion B de la tecnica anterior, especialmente cuando se utiliza el detector Viterbi y Viterbi mas simple. Para la constelacion de acuerdo con este invencion, un poco de rendimiento se pierde cuando se utiliza un detector V & V mas simple, en comparacion con la utilizacion del detector optimo. Esta diferencia de comportamiento se puede atribuir a la separacion angular regular mantenida por las constelaciones de acuerdo con la presente invencion, pero no en las constelaciones disenadas de acuerdo con el documento de Kayhan, por ejemplo la constelacion B de la tecnica anterior.

Aunque la invencion se ha ilustrado y descrito con detalle en los dibujos y en la anterior descripcion, tal ilustracion y descripcion son consideradas ilustrativas o a modo de ejemplo y no limitativas. La descripcion anterior detalla ciertas realizaciones de la invencion. Se apreciara, sin embargo, que no se detalla en el texto la manera de como realizarla, la invencion se puede llevar a la practica de muchas formas. La invencion no se limita a las realizaciones descritas.

Otras variaciones a las realizaciones descritas se pueden entender y realizar por los expertos en la tecnica en la practica de la invencion reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, la memoria y las realizaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la expresion "que comprende" no excluye otros elementos o etapas, y el artfculo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. Un unico procesador u otra unidad puede cumplir las funciones de varios 5 artfculos mencionados en las reivindicaciones, El mero hecho de que ciertas medidas sean enumeradas en

diferentes etapas mutuamente dependientes no indica que una combinacion de estas medidas no se puede utilizar como ventaja. Un programa de ordenador se puede almacenar/distribuir en un medio adecuado, tal como un medio de almacenamiento optico o un medio de estado solido suministrado junto o como parte de otro hardware, pero puede ser distribuido de otras formas, tales como a traves de Internet u otros sistemas de telecomunicacion con 10 cable o inalambricos. Cualesquiera senales de referencia en las reivindicaciones no debenan ser interpretadas como limitante del alcance.

Claims

5

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo de modulacion digital que comprende:

- codificar una secuencia de bits de informacion a una secuencia de bits codificados y mapear la secuencia de bits codificados a una cadena de sfmbolos de modulacion con el fin de producir una senal modulada, en donde dichos sfmbolos de modulacion pertenecen a una constelacion de senal de multiples anillos (200, 201, 202, 203), teniendo dicha constelacion de senal digital de multiples anillos todos los puntos de senal situados en el menos dos anillos concentricos (200, 201, 202, 203), con lo que

a) el numero total de puntos de senal es mayor que 8,

b) al menos un anillo tiene puntos separados de forma no uniforme (201), y

c) dicho al menos un anillo con puntos de senal separados de forma no uniforme esta construido para formar junto con al menos un anillo vecino un subconjunto de anillos vecinos (202), con lo que cada punto de senal de dicho subconjunto tiene un unico modulo de coordenada angular 2n y con lo que la separacion angular de los puntos de senal de dicho subconjunto es uniforme.
2. Un metodo de modulacion digital como en la reivindicacion 1, en el que el numero de puntos de senal separados en el anillo mas exterior es mayor que el numero total de puntos de senal dividido por el numero de anillos, de manera que la constelacion esta adaptada para utilizarse en un canal de comunicaciones no lineal.
3. Un metodo de modulacion digital como en la reivindicacion 1 o 2, en el que dicha unica coordenada angular de dichos puntos de senal de dicho subconjunto esta dada por 00 + 2kn/K, indicando K el numero de puntos de senal en dicho subconjunto, k = 0, 1, ... K-1 y 00 indicando un valor no negativo predeterminado menor que 2kn/K.
4. Un metodo de modulacion digital como en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha constelacion de senal digital tiene 32 puntos y cuatro anillos, teniendo los tres anillos mas exteriores de dichos cuatro anillos 8, 4 y 16 puntos, respetivamente, teniendo dichos tres anillos mas exteriores una relacion con respecto al radio del anillo interior, dada por una de las siguientes

anillo con 8 puntos

anillo con 4 puntos anillo con 16 puntos

2,6

2,99 5,6

2,6

2,86 5,6

2,8

3,08 5,6

con el fin de adaptar la modulacion para utilizar con regfmenes de codigo de 128/180, 132/180 y 140/180, respetivamente.
5. Un metodo de modulacion digital como en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende una etapa de aplicar un codigo de bloque de correccion de error de codigo de comprobacion de paridad de baja densidad binaria a una cadena de bits de informacion y mapear los bits codificados con el fin de obtener una cadena de sfmbolos digitales para ser modulada.
6. Un transmisor para un sistema de comunicacion digital que comprende medir para codificar una secuencia de bits de informacion en una secuencia de bits codificados y mapear la secuencia de bits codificados a una secuencia de sfmbolos de modulacion para producir una senal de modulacion, en donde dichos sfmbolos de modulacion pertenecen a una constelacion de multiples anillos (200, 201, 202, 203) teniendo dicha constelacion de senal digital de multiples anillos todos los puntos situados en al menos dos anillos concentricos, con lo que

a) el numero total de puntos de senal es mayor que 8,

b) al menos un anillo tiene puntos separados de forma no uniforme (201), y

c) dicho al menos un anillo con puntos de senal separados de forma no uniforme esta construido para formar junto con al menos un anillo vecino un subconjunto de anillos vecinos (202), con lo que cada punto de senal de dicho subconjunto tiene un unico modulo de coordenada angular 2n y con lo que la separacion angular de los puntos de senal de dicho subconjunto es uniforme.
7. Un transmisor para un sistema de comunicacion digital como en la reivindicacion 6, que comprende

- un codificador para codificar una secuencia de bits de informacion y para producir una secuencia de bits codificados,

- un mapeador de bits dispuesto para ser alimentado con dicha secuencia de bits codificados y para obtener dichos sfmbolos digitales mediante el mapeo de dichos bits codificados.
8. Un receptor para un sistema de comunicacion digital que comprende un desmodulador dispuesto para desmodular una senal recibida en una secuencia de sfmbolos digitales, que representan bits codificados, y decodificar dicha secuencia de sfmbolos digitales en una secuencia de bits de informacion, en donde dichos s^bolos digitales pertenecen a una constelacion de multiples anillos (200, 201, 202, 203), teniendo dicha

5 constelacion de senal digital de multiples anillos todos los puntos de senal dispuestos en al menos dos anillos concentricos, con lo que

a) el numero total de puntos de senal es mayor que 8,

b) al menos un anillo tiene puntos separados de forma no uniforme (201), y

c) dicho al menos un anillo con puntos de senal separados de forma no uniforme esta construido para formar junto 10 con al menos un anillo vecino un subconjunto de anillos vecinos (202), con lo que cada punto de senal de dicho

subconjunto tiene un unico modulo de coordenada angular 2n y con lo que la separacion angular de los puntos de senal de dicho subconjunto es uniforme.
9. Un receptor para un sistema de comunicacion digital como en el reivindicacion 8, que comprende

- un desmapeador de bits dispuesto para ser alimentado con dicha secuencia de sfmbolos desmodulados 15 procedente de dicho demodulador y para desmapear dichos sfmbolos desmodulados,

- un decodificador dispuesto para recibir dichos sfmbolos desmodulados, desmapeados y para obtener valores de bit.
10. Un receptor para un sistema de comunicacion digital como en la reivindicacion 9, en el que dicho desmapeador de bit esta dispuesto para realizar operaciones de desmapeado iterativas.

20 11. Un sistema de comunicacion digital que comprende un transmisor como en cualquiera de las reivindicaciones

6 a 7 y un receptor como en cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10.