ES2219934T3 - Procedimiento para reducir los valores pico en señales digitales de emision moduladas por portadora unica o por multiples portadoras. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la reducción de valores pico de señales de emisión digitales moduladas por portadora única, con las siguientes etapas: a) sobre la base de una pluralidad (N) de símbolos de emisión incluidos en la señal digital, determinar el valor pico a partir de la pluralidad de símbolos de emisión; y b) en caso de que el valor pico determinado sobrepase un valor predeterminado, generar al menos un símbolo de sustitución que sustituya el símbolo de emisión asociado al valor pico determinado, con lo que el símbolo de sustitución reduce el valor pico y puede transformarse sin errores en el símbolo de emisión original empleando una codificación empleada para crear los símbolos de emisión; con lo que el símbolo de sustitución generado presenta una distancia de Hamming pequeña respecto al símbolo de emisión original y está contrapuesto de forma antípoda o en magnitud y fase al valor pico asociado al símbolo de emisión original.

Description

Procedimiento para reducir los valores pico en señales digitales de emisión moduladas por portadora única o por múltiples portadoras.

La presente invención se refiere a un procedimiento para reducir los valores pico y, especialmente, a procedimientos para reducir los valores pico de señales digitales de emisión modulas por portadora única y para reducir los valores pico de señales digitales de emisión moduladas por múltiples portadoras.

En la transmisión de señales digitales de emisión, la relación de la potencia pico de la señal respecto a la potencia media de la señal de emisión, lo que también se denomina factor cresta, es de gran interés. El factor cresta es de especial importancia en el caso de niveles finales de intensa potencia de los amplificadores, tal como se usan, por ejemplo, en el sector de la radiodifusión. Cualquier reducción del factor cresta conlleva una ganancia aumentada de energía y, con ello, costes operativos y de adquisición reducidos del nivel final de los amplificadores puesto que éste puede hacerse funcionar con un Back-Off (retroceso de compensación) reducido, es decir, más cerca de su punto óptimo de trabajo.

A partir del estado de la técnica sólo se conocen procedimientos para reducir un valor pico en caso de señales de emisión que fueron moduladas empleando procedimientos de modulación multiportadora. A partir de la solicitud de patente alemana 19635813 con el título "Verfahren zur Reduktion des Spitzenwertfaktors bei digitalen Übertragungsverfahren" se hace referencia exclusivamente al caso de la modulación multiportadora con el empleo de una Transformada Rápida de Fourier (FFT = Fast Fourier Transformation).

Procedimientos similares que se ocupan de la reducción del factor del valor pico en señales digitales de emisión que se modularon empleando procedimientos de modulación multiportadora se obtienen, por ejemplo, de M. Pauli y H.-P. Kuchenbecker "Reduzierung der durch Nichtlinearitäten hervorgerufenen Ausserbandstrahlung bei einem Mehrträgerverfahren", ITG-Fachbericht 136 "Mobile Kommunikation", A. Jones, T. Wilkinson y S. Barton "Block coding schemes for reduction of peak to mean envelope power ratio of multi-carrier transmission schemes", Electronic Letters, diciembre 1994, D. Wulich, "Reduction of peak to mean ratio of multi-carrier modulation using cycling coding", Electronic Letters, febrero 1996, M. Friese "Multicarrier modulation with low peak-to-average power ratio", Electronic Letters, abril 1996, y A. Kamerman y A. Krishnakumar "Reduction of peak to average power ratio for OFDM", solicitud de patente europea nº 95306079.5 del 31.08.1995.

Por tanto, a partir del estado de la técnica anteriormente mencionado no se conoce ninguna actividad que se refiera explícitamente a la reducción del valor pico en señales de emisión que fueron moduladas por medio de una portadora o por medio de varias portadoras. En el caso del denominado procedimiento de portadora única, es decir, un procedimiento en el que la señal digital de emisión se modula por medio de una portadora, la modulación mediante la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura descentrada (O-QPSK) puede valorarse como máximo como un intento de reducir el valor pico, aunque la O-QPSK no conduce a una reducción satisfactoria del valor pico.

En la publicación de S. Sheperd, J. Orriss y S. Barton, "Asymptotic Limits in Peak Envelope Power Reduction by Redundante Coding in Orthogonal Frequency- Division Multiplex Modulation", IEEE Transactions on Communications, vol. 46, nº 1, enero 1998, pp. 5 - 10, se muestra una suposición sobre el comportamiento asintótico de la reducción de los valores pico empleando una codificación, aunque de esta publicación no puede deducirse ninguna afirmación en el sentido de cómo debe conseguirse este tipo de códigos. Además, de este documento tampoco puede deducirse ninguna observación estructural para este tipo de códigos o un ejemplo de los mismos.

Además se remite también a la publicación de John G. Proakis "Digital Communications", 2ª ed. 1989, McGraw-Hill, página 532 y siguientes, que se ocupa de la transmisión digital de mensajes.

El documento US-A-5.621.762 describe una atenuación del valor pico en la que los datos digitales se representan en un diagrama de constelación para generar símbolos de datos. En una etapa de escalamiento se modifican (distorsionan) aquellos símbolos que conducirían en una etapa de filtrado subsiguiente en el filtro de impulsos de emisión a una superación del valor pico. Sólo se permiten aquellas distorsiones de la señal inicial, que se sitúan dentro de un círculo con radio pequeño alrededor del punto original, de tal manera que en el receptor puede tener lugar una recuperación sin fallos de la señal de emisión. Con ello es necesaria una recuperación sin fallos de los datos brutos, lo que conduce a una selección intensamente limitada de las distorsiones posibles de la señal inicial.

El documento EP 0 725 510 A se refiere a un procedimiento para reducir los valores pico de las señales en un aparato de transmisión. Los símbolos que conducen a superar el valor pico se reducen añadiendo un símbolo de ajuste al símbolo a enviar, de tal manera que se reduce el valor del símbolo a enviar. El símbolo de ajuste se genera empleando canales parciales que no se utilizan para la transmisión de datos. Para los canales parciales se generan vectores que se añaden al símbolo, de tal manera que al realizar una Transformada Inversa de Fourier las aportaciones de los vectores añadidos reducen los valores pico de aquellos canales parciales que se emplean para la transmisión de datos.

Partiendo de este estado de la técnica, la presente invención se basa en la tarea de crear un procedimiento para reducir los valores pico de señales digitales de emisión moduladas por portadora única o por múltiples portadoras que posibilite de modo sencillo una reducción eficaz del valor pico en las señales de emisión.

Esta tarea se soluciona mediante un procedimiento según la reivindicación 1 y mediante un procedimiento según la reivindicación 8.

Según un ejemplo de realización preferido de la presente invención, el símbolo de sustitución se genera al incorporar un error de bit en el símbolo de emisión a sustituir.

Según otro ejemplo de realización preferido de la presente invención, como símbolo de sustitución se determina un punto cualquiera en el plano complejo, presentando el símbolo de sustitución, durante su recepción y conversión en un símbolo de emisión, una pequeña distancia de Hamming respecto al símbolo original de emisión.

Según otro ejemplo de realización preferido de la presente invención, la señal de múltiples portadoras para la modulación de la señal de emisión comprende menos de 50 portadoras, preferiblemente 10 a 20 portadoras.

Una ventaja de la presente invención consiste en que mediante el procedimiento anteriormente mencionado no es necesario ningún gasto adicional en el receptor de la señal digital puesto que el símbolo de sustitución puede convertirse sin fallos en el símbolo de emisión original empleando una codificación utilizada para crear el símbolo de emisión. Otra ventaja de la presente invención consiste en que la redundancia facilitada puede dividirse de forma eficaz entre la corrección de fallos debidos al ruido del canal y la reducción de los valores pico.

Nuevamente, otra ventaja consiste en que sólo se necesita un equipo codificador / decodificador.

Además, una ventaja de la presente invención consiste en que para realizar el procedimiento según la invención y especialmente para decodificar la señal de emisión enviada no se necesita ninguna emisión de señales de información entre el emisor y el receptor en relación con el símbolo de sustitución.

Nuevamente, otra ventaja de la presente invención consiste en que tanto para el caso de emplear una portadora, como para el caso de emplear varias portadoras, no se necesita ningún código especial para generar los símbolos de sustitución, sino que la decodificación del canal realiza esta tarea conjuntamente de igual forma.

A continuación se describen detalladamente ejemplos de realización preferidos de la presente invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos. Muestran:

la figura 1, un diagrama de bloques de una ramificación de emisión digital convencional de portadora única;

la figura 2, un diagrama de bloques de una ramificación de emisión digital de portadora única ampliada en comparación con el diagrama de bloques mostrado en la figura 1, para la realización del procedimiento según la presente invención; y

la figura 3, una ramificación de emisión digital de múltiples portadoras ampliada para realizar el procedimiento según la invención de acuerdo con otro ejemplo de realización.

Antes de ocuparnos detalladamente a continuación de los ejemplos de realización preferidos de la presente invención, tiene lugar primero una breve descripción, mediante la figura 1, de una ramificación de emisión digital convencional de portadora única. En relación con la siguiente descripción se indica que en los dibujos los elementos iguales están dotados con los mismos números de referencia.

La ramificación de emisión de portadora única mostrada en la figura 1 comprende una fuente 100 de datos cuya salida está conectada con la entrada de un bloque 102 que realiza una codificación con corrección de errores de las señales recibidas por la fuente 100 de datos. La salida del bloque 102 está conectada con la entrada de un bloque 104, que recibe las señales codificadas del bloque 102 y las reproduce (mapping) en una secuencia de símbolos de emisión, de manera que en la salida del bloque 104 se presenta una secuencia de símbolos de emisión. Esta secuencia de símbolos de emisión se introduce en un filtro 106 de impulsos de emisión cuya señal de salida se alimenta a su vez a un amplificador 108 de emisión, que emite la señal amplificada y la transmite a los elementos apropiados para la transmisión.

El diagrama de bloques convencional o clásico, mostrado en la figura 1, de la parte de emisión de un procedimiento de transmisión digital con modulación de portadora única genera señales cuyo factor cresta se influencia de forma determinante por el filtro 106 de formación de impulsos de emisión. Supóngase, por ejemplo, un filtro rectangular en la franja de frecuencias, lo que resulta en el intervalo temporal en un impulso de emisión, que es una función SINx/x. Puesto que esta función sólo se atenúa con 1/x, los impulsos de emisión de muchos símbolos de emisión enviados de forma temporalmente sucesiva se superponen de forma perceptible y una secuencia de símbolos de emisión "desfavorable" puede conducir a una superposición aditiva de todos estos impulsos, lo que conduce a su vez a un valor pico alto. En este caso, el uso de un formador 106 de impulsos de emisión mejor genera un alivio. A menudo se emplean para ello los denominados "filtros de coseno elevado" o también "filtro de coseno elevado a la raíz". En el caso del primer filtro mencionado, el impulso de emisión disminuye respecto al tiempo con la tercera potencia, lo que reduce claramente la interferencia entre símbolos y también el número de los impulsos de emisión que se superponen en función del factor Roll-Off (atenuación progresiva) seleccionado, tal como se conoce, por ejemplo, a partir de la publicación de John. G. Proakis "Digital Communications", 2ª ed. 1989, McGraw-Hill, página 532 y siguientes. En la práctica, será suficiente una limitación a menos de 10 impulsos individuales que se superponen, y el número de símbolos de emisión a incluir puede ajustarse una vez en cada caso para un sistema de transmisión a un valor N constante, dependiendo del factor Roll-Off y de la reducción máxima deseada, descrita a continuación, del valor pico o del factor cresta.

A continuación se describe detalladamente mediante la figura 2 el procedimiento según la invención según un primer ejemplo de realización, con lo que ya no se realiza una nueva descripción de los elementos ya descritos mediante la figura 1. Tal como puede observarse a partir de la figura 2, entre el filtro 106 de impulsos de emisión y el amplificador 108 de emisión está conectado primero un detector 110 del valor pico y, a continuación, una unidad 112 de modificación de impulsos de emisión. El detector 110 de valores pico recibe la señal inicial del filtro 106 de impulsos de emisión y transmite el valor pico registrado al dispositivo 112 de modificación de impulsos de emisión, que en función del valor pico registrado lleva a cabo o no una modificación del impulso de emisión. La unidad de modificación de impulsos de emisión aplica la señal al amplificador 108 de emisión.

Según un ejemplo de realización de la presente invención, mediante la secuencia de símbolos de emisión que se presenta en la salida del filtro 106 de impulsos de emisión se coloca una ventana de la longitud N, la cual puede realizarse, por ejemplo, como registro desplazable con N celdas de memoria. Mediante los N símbolos de emisión actuales se calcula en el detector 110 el factor cresta. El cálculo se lleva a cabo determinando el valor pico máximo en la secuencia de emisión o la secuencia de N símbolos de emisión, y este valor se divide a continuación por el valor efectivo determinado a partir de los N símbolos para obtener el factor cresta deseado. A continuación se comprueba si la secuencia de emisión presente, es decir, los símbolos actuales de emisión, infringen, es decir, superan, el factor cresta predeterminado permitido como máximo. Si no es éste el caso, entonces el símbolo "más antiguo", es decir, aquel símbolo que se queda para la transmisión al amplificador 108 de emisión, se transmite sin reducción del factor cresta al amplificador 108 de emisión, tal como también se realiza en el ejemplo mostrado en la figura 1. A continuación se introduce un nuevo símbolo en la ventana para registrar el factor cresta, con lo que anteriormente se han desplazado un lugar todos los valores que quedaban.

Si el detector calcula una infracción del máximo factor cresta permitido, entonces se modifica el símbolo que más aporta al pico del factor cresta. Aunque en el ejemplo de realización anteriormente descrito se habló de que se registra y reduce el factor cresta, también puede aplicarse el presente procedimiento cuando, en lugar del factor cresta, sólo se determina el valor pico en la secuencia de símbolos de emisión actual, y se modifica aquel símbolo que más contribuye al valor pico.

La modificación de los símbolos tiene lugar según un primer ejemplo de realización, de tal manera que en el símbolo se añaden de forma encauzada errores de bit, de tal manera que se envía otra señal de codificación válida. En este sentido, la inversión de bits se realiza de tal manera que el símbolo que ahora tiene un error reduce al máximo el valor pico. De forma ventajosa, el símbolo de sustitución que debe enviarse tiene una distancia de Hamming lo más pequeña posible en relación con la señal original y al mismo tiempo tiene un valor pico que se contrapone de la manera más antípoda posible al valor pico complejo de la señal original para reducirla al máximo.

Cuanto más alto sea el número de niveles de la modulación en que se basa, puede conseguirse este efecto de forma más sencilla. Esto es especialmente sencillo en el caso de un sistema que emplea códigos de múltiples niveles (Multi-Level-Codes) puesto que aquí se presentan grandes distancias euclídicas entre los puntos, que, sin embargo, sólo se diferencian en un bit. Al contrario, la obtención de este efecto en un sistema codificado de Gray es especialmente difícil ya que aquí los símbolos se disponen estrechamente unos junto a otros con una distancia de Hamming pequeña.

En lugar de la incorporación encauzada anteriormente descrita de un error de bit, según un segundo ejemplo de realización, el símbolo de sustitución puede generarse de tal manera que se envía un punto o símbolo de sustitución que no está incluido en la constelación regular, es decir, en la secuencia regular de símbolos de emisión, aunque presentando el punto o el símbolo de sustitución las siguientes propiedades:

-

en el receptor se decide este símbolo de sustitución para un punto de símbolo que tiene una distancia de Hamming lo más pequeña posible respecto al punto de símbolo original a enviar. El punto de sustitución o el símbolo de sustitución se sitúa en el área de decisión del punto de símbolo con una distancia de Hamming pequeña respecto al símbolo original.

-

el símbolo de sustitución está contrapuesto de forma máxima en valor y fase a la infracción detectada del valor pico y con ello la reduce al máximo.

El procedimiento que se acaba de describir para emplear puntos intermedios de constelación es interesante especialmente en procedimientos de portadora única de bajos niveles, tal como, por ejemplo, la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) puesto que aquí el número de los puntos de señal que están disponibles para la corrección es muy pequeño.

En el caso del ejemplo de realización mostrado en la figura 2, la secuencia de símbolos que se encuentra en la ventana de tratamiento se modifica hasta que se cumpla el máximo valor pico permitido o el máximo factor cresta permitido. Entonces, tal como se ha descrito anteriormente, se envía el símbolo "más antiguo", se desplazan un lugar los símbolos restantes y se incluye un nuevo símbolo en el tratamiento.

Tal como se ha expuesto anteriormente, este algoritmo introduce errores de forma encauzada (directa o indirectamente) en la señal digital de emisión. Estos errores pueden hacerse regresivos nuevamente en un receptor con ayuda de los códigos con los errores corregidos que se han empleado para la codificación de la señal de emisión en el bloque 102.

Según otro ejemplo de realización, puede ser conveniente excluir únicamente los valores pico o factores cresta mayores de todos. En este caso, el detector 110 de valores pico mostrado se realiza con ayuda de una tabla en la que está almacenada la cantidad de secuencias de símbolos de emisión no deseadas. A cada secuencia de símbolos de emisión no deseada está asociada una secuencia de sustitución calculada previamente que se envía entonces en lugar del símbolo de emisión no deseado.

Mediante la figura 3 se describe a continuación detalladamente otro ejemplo de realización de la presente invención, de modo que se prescinde de una nueva descripción de los elementos ya descritos. Estos elementos están dotados con los mismos números de referencia que en las figuras 1 y 2. El diagrama de bloques descrito mediante la figura 3 está previsto para el empleo de un procedimiento en el que el procedimiento de modulación empleado no es ninguna modulación pura de portadora única, sino que la información se transmite de forma paralela en varios canales según el procedimiento de multiplexión de frecuencia. Además de los bloques ya descritos, entre la fuente 100 de datos y el bloque 102 de codificación está previsto un bloque para la transformación 114 en serie / paralelo (demultiplexor). En lugar del filtro 106 de impulsos de emisión descrito en las figuras 1 y 2, según el ejemplo de realización mostrado en la figura 3, éste está formado por un banco 106a de filtros de impulsos de emisión. Entre el banco 106a de filtros de impulsos de emisión y el detector 110 de valores pico está dispuesto un bloque 116 que lleva a cabo una Transformada Rápida de Fourier Inversa (IFFT = Inverse Fast Fourier Transformation). La salida del bloque 116 está conectada con la entrada de un convertidor 118 en paralelo / serie (multiplexor) cuya salida está conectada a su vez con la entrada del detector 110 de valores pico.

En el ejemplo de realización mostrado de la figura 3, para el factor cresta se vuelve dominante ahora el efecto que se ocasiona por la superposición temporal de las secuencias parciales de información separadas según la frecuencia. Esto significa que el registro desplazable, que incluye la secuencia de símbolos de una portadora individual, puede reducirse considerablemente respecto a una modulación pura de portadora única. Según un ejemplo de realización, es suficiente que el registro desplazable presente solamente un único símbolo de emisión. Si el sistema emplea, por ejemplo, M portadoras en el funcionamiento de multiplexión de frecuencia, entonces ahora sólo deben gestionarse de forma paralela M registros desplazables. Según un ejemplo de realización preferido, el procedimiento descrito por medio de la figura 3 emplea una cantidad moderada de portadoras, con lo que la cantidad M de portadoras en este procedimiento es menor de 50, y de forma preferida se sitúa en un intervalo entre 10 y 20 portadoras. Tal como en el caso de la modulación de portadora única, el detector 110 de valores pico asume el registro de valores pico grandes. Si se registra un valor de este tipo, entonces en caso de una cantidad moderada de portadoras (M \leq 50) pueden determinarse por cálculo de forma eficaz las portadoras con las proporciones más dominantes y, como en el caso de la modulación de portadora única, éstas pueden compensarse mediante la introducción de errores de bit o por el empleo de puntos intermedios de constelación. La introducción de errores de bit o el empleo de puntos intermedios de constelación ya se ha descrito detalladamente anteriormente mediante la figura 2. En relación con el ejemplo de realización mostrado en la figura 3, se indica que el bloque 116 IFFT es opcional, aunque en la práctica se emplea de forma preferida debido a la posibilidad de implementación sencilla.

Tal como se aclara a partir de la descripción anterior de los ejemplos de realización preferidos de la presente invención, aquí no se encuentra ninguna afirmación sobre los códigos de corrección de errores empleados (bloque 102) y, por consiguiente, en general también está contenido el bloque 102. Realmente, para la presente invención no es determinante el tipo de códigos de corrección de errores empleado puesto que el empleo del procedimiento según la invención no depende de los códigos de corrección de errores empleados.

Claims (12)

1. Procedimiento para la reducción de valores pico de señales de emisión digitales moduladas por portadora única, con las siguientes etapas:

a)

sobre la base de una pluralidad (N) de símbolos de emisión incluidos en la señal digital, determinar el valor pico a partir de la pluralidad de símbolos de emisión; y

b)

en caso de que el valor pico determinado sobrepase un valor predeterminado, generar al menos un símbolo de sustitución que sustituya el símbolo de emisión asociado al valor pico determinado, con lo que el símbolo de sustitución reduce el valor pico y puede transformarse sin errores en el símbolo de emisión original empleando una codificación empleada para crear los símbolos de emisión;

con lo que el símbolo de sustitución generado presenta una distancia de Hamming pequeña respecto al símbolo de emisión original y está contrapuesto de forma antípoda o en magnitud y fase al valor pico asociado al símbolo de emisión original.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el símbolo de sustitución se genera añadiendo un error de bit en el símbolo de emisión que se va a sustituir.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que como símbolo de sustitución se determina un punto cualquiera del plano complejo, presentando el símbolo de sustitución, durante su recepción y transformación en un símbolo de emisión, una distancia de Hamming pequeña respecto al símbolo de emisión original.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que las etapas a) y b) se repiten hasta que el valor pico para la pluralidad de símbolos de emisión ya no supere el valor predeterminado.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, con las siguientes etapas:

c)

enviar el primer símbolo de la pluralidad de símbolos de emisión;

d)

incorporar un nuevo símbolo de emisión en la pluralidad de símbolos de emisión para generar una nueva secuencia de símbolos de emisión; y

e)

realizar las etapas a) y b) en relación con la nueva secuencia de símbolos de emisión.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que, en caso de que en la etapa a) no se determine ninguna superación del valor pico, se envía el primer símbolo de emisión no modificado.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que en la etapa b) se lee el símbolo de sustitución a partir de una tabla que contiene símbolos de emisión no deseados y los símbolos de sustitución calculados previamente y asignados a éstos.

8. Procedimiento para la reducción de los valores pico de señales digitales de emisión moduladas por múltiples portadoras con las siguientes etapas:

a)

determinar el valor pico considerando como mínimo un símbolo de emisión para cada frecuencia de la portadora; y

b)

en caso de que el valor pico supere un valor predeterminado, generar un símbolo de sustitución que sustituya al símbolo de emisión asignado al valor pico, con lo que el símbolo de sustitución reduce el valor pico y puede transformarse sin errores en el símbolo de emisión original empleando una codificación utilizada para crear los símbolos de emisión;

con lo que el símbolo de sustitución generado presenta una distancia de Hamming reducida respecto al símbolo de emisión original y está contrapuesto de forma antípoda o en magnitud y fase al valor pico asociado al símbolo de emisión original.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que el símbolo de sustitución se genera introduciendo un error de bit en el símbolo de emisión a sustituir.

10. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que como símbolo de sustitución se determina un punto cualquiera del plano complejo, presentando el símbolo de sustitución, durante su recepción y transformación en un símbolo de emisión, una distancia de Hamming pequeña respecto al símbolo de emisión original.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 8 a 10, en el que la cantidad de portadoras empleadas es menor de 50.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que la cantidad de portadoras empleadas se sitúa entre 10 y 20.