Objeto de la invención

La presente invención se refiere a la codificación/decodificación de la amplitud de la señal de datos, generada con frecuencias de radio o digitalmente, haciendo uso de la simetría y plegado en ejes o límites determinados por las características físicas del modulador óptico. La técnica consiste en indicar los límites superior e inferior de la amplitud de la señal en la que las características de los moduladores y amplificadores son suficientemente lineales que servirán de ejes de simetría sobre los cuales se plegará la señal tantas veces como sea necesario hasta obtener una señal cuyos valores se encuentren dentro de los límites definidos. Juntamente con la señal resultante se añadirán etiquetas de información auxiliar para indicar el número de veces que se haya plegado la señal que será utilizada para su correcta recepción.

Antecedentes de la invención La transmisión de señales multinivel y de múltiples portadoras incluye ventajas como el aumento de la cantidad de información transmitida. En particular, la modulación en múltiples portadores de RF ofrece ventajas como una mayor tolerancia a la dispersión y el desvanecimiento multi-trayecto de las señales. Además simplifica la ecualización en el dominio de la frecuencia y seleccionar selectivamente las portadoras a utilizar, así como los bits a transmitir en cada una ella, permitiendo una mayor granularidad del ancho de banda total. Un tipo de modulación de múltiples portadoras es la modulación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) que ha ganado popularidad entre los operadores y ha sido elegida para varias aplicaciones incluyendo redes de acceso para usuarios basadas en cobre (DSL) y redes de área local inalámbricas (WiFi, WiMAX). Recientemente, la aplicación de OFDM en redes de acceso óptico ha obtenido mucho interés por distintos grupos de investigación.

Uno de los principales limitantes de la modulación por múltiples portadoras es la alta relación entre la potencia máxima y la potencia promedio de la señal (PAPR) [1 , 2]. Debido a que la señal puede tener niveles de amplitud muy altas, los amplificadores de potencia prácticos se saturarían pues su región lineal es limitada [3-7]. Esto ocasiona distorsiones en la señal que reducen el desempeño del sistema.

Además del alto PAPR, las redes de acceso óptico basadas en modulación por múltiples portadoras enfrentan otro reto al cambiar del dominio óptico al eléctrico y viceversa. En la actualidad, los sistemas más costo-eficientes para las redes de acceso óptico están basados en modulación de intensidad y detección directa (IMDD) debido a su relativamente sencilla implementación. Los sistemas de transmisión ópticos basados en modulación de intensidad requieren que la señal a enviar sea real y unipolar [2]. En el caso de las señales OFDM, la primera condición se puede satisfacer utilizando simetría hermitiana en las subportadoras. Para el segundo requisito, generalmente se añade un voltaje en DC a la señal para elevar su nivel. Sin embargo, esto produce una potencia promedio alta en la portadora óptica, además de limitar el rango del modulador óptico para detectar correctamente la señal. Por su parte, en el receptor óptico basado en detección directa, la información de la fase de la señal óptica se pierde debido a la relación cuadrática del fotodetector al transformar los fotones en electrones. El mantener esta información permitiría aumentar el desempeño de los sistemas basados en detección directa. La presente invención tiene como objetivo disminuir el impacto del PAPR en las señales de datos con múltiples portadoras, y también, para el caso aumentar el desempeño de los sistemas IMDD recuperando la información de fase mediante la modificación de la señal a transmitir y añadiendo información auxiliar. Bibliografía

[1 ] J. Armstrong, A.J. Lowery, "Power efficient optical OFDM," en IET Electronics Letters, vol. 42, no.6, pp. 370-372, Mar. 2006.

[2] J. Armstrong, "Peak to average power reduction for OFDM by repeated clipping and frequency domain filtering," en IET Electronics Letters, vol. 38, pp.246-247, 2002.

[3]K.W.Jong, et al., "Efficient peak cancellation method for reducing the peak-to- average power ratio in wideband communication systems," Dali Systems, patente internacional no. WO2009122298, Octubre 2009.

[4] B. Kim., Y.Yang, Y.Yun Woo, "Linearization apparatus capable of adjusting peak-to-average power ratio" Postech foundation, patente E.U.A. no. 6867648, Mar. 2005.

[5] Cavers, J.K., "Amplifier linearization by adaptive predistortion," Simón Fraser University, patente E.U.A. no. 5049832, Abril 1990.

[6] Blauvelt, H.A., Frame J.S., Loboda H.L., "Predistorter for linearization of electronic and optical signáis," Agere systems Inc., patente E. U.A. no. 5132639, Febrero 1991 .

[7] E. Peral, Ίη-line distortion cancellation circuits for linearization of electronic and optical signáis with phase and frequency adjustment," Emcore Corporation, patente E.U.A. no. 7634198, Junio 2006.

Descripción de la invención - Explicación

La presente invención proporciona un método para reducir la relación de potencia máxima y promedio de la señal y, así, mejorar el desempeño de sistemas de transmisión basados en modulación de amplitud. En el transmisor, un codificador determinará una serie de límites que servirán de ejes sobre los cuales las componentes de la señal se plegarán manteniendo así los valores de amplitud dentro de un rango de operación aceptable (por ejemplo, dentro del rango que corresponde, a posteriori, a la zona lineal del primer periodo de la función de transferencia del modulador óptico Mach-Zehnder -MZM). Por plegado se entiende como doblar la señal en un punto de inflexión cambiando la característica creciente o decreciente de la señal en su opuesto y manteniendo la continuidad. Dentro del mismo término "plegar" y con el fin de evitar no- linealidades y discontinuidades, se interpreta que la pendiente de la señal plegada se puede modificar. En otras palabras, la función de plegado de amplitud consiste en sustituir los niveles de señal que sobrepasen los valores equivalentes situados entre los límites definidos. La relación entre los niveles originales y modificados se puede representar mediante una función de diente de sierra, caracterizada por la alternancia de periodos de pendiente positiva y negativa (o viceversa), con valores absolutos de pendiente que pueden ser distintos en cada periodo. La señal codificada estará confinada o "plegada" entre los límites de la señal diente de sierra (Fig.1 ) La información del número de pliegues se incluirá como etiqueta auxiliar la cual será detectada y utilizada por el receptor para recuperar la señal de datos original.

El objeto de la invención es un sistema de comunicación ya sea óptico o eléctrico que transmita datos modulados en amplitud por fibra óptica o algún otro medio (Fig. 2) y que consiste en: a) Un transmisor basado en un modulador de amplitud para señales de tipo OFDM u otro. El transmisor incluye también un bloque de pre-procesado no-lineal que determine los ejes de simetría y realice los plegados de la función entrada/salida e identifique el número de pliegues por cada trama de la señal. Este bloque se puede remplazar por un modulador cuya función de transferencia permita realizar la plegado natural de la función (como un modulador óptico MZM, fig. 2c). b) Un enlace de transmisión c) Un receptor que incluirá un fotodetector y compensador de la dispersión (cuando se requiera) en el caso óptico, un decodificador que determinará el número de pliegues y tramas y un bloque no lineal que realice la operación adecuada con la señal y su información auxiliar para recuperar la señal original. También incluirá un demodulador eléctrico OFDM o de otro tipo. que permiten controlar los niveles máximos de la señal al mantenerla en un rango dentro del cual los dispositivos tienen características lineales o bien recuperar la información que se pierde por la característica cuadrática del fotodetector (detección de fotones a electrones), lo cual ayuda a mejorar el desempeño del sistema.

El receptor de detección directa es el principal objetivo de la presente invención. Para las redes de acceso óptico este tipo de receptores es popular por su bajo coste. Sin embargo, su relación cuadrática de detección de fotones a electrones pierde la información de fase de la señal óptica. Por su parte, los componentes del transmisor, en particular amplificadores eléctricos y moduladores ópticos presentan relaciones que no son lineales en todo el rango de la señal. Esto es más evidente cuando la señal cuenta con muchos niveles y existen valores que sobresalen del promedio, causando efectos no-lineales que reducen el desempeño global del sistema. La invención propuesta permite reducir ambas limitaciones dependiendo de los rangos que se elijan y se puede extrapolar al caso eléctrico. Así se tendrá un pre-codificador en el transmisor que realizará lo siguiente:

1. Determinar los niveles que servirán como límites y ejes para la señal de datos (modulada en OFDM u otro tipo de modulación). Estos valores pueden ser:

a. Para el caso de recuperar la información de fase óptica, el límite será igual a cero limi = 0, sobre el cual se plegarán las muestras cuyo valor sea negativo (Fig.3). Así, se obtendrán señales cuya amplitud sea su valor absoluto.

b Para el caso de reducir el nivel de la señal, se pueden indicar tantos límites como sean necesarios con el fin de mantener los valores de la señal en la zona lineal de los dispositivos (Fig. 4). La amplitud de los límites será idéntica para la parte positiva y negativa.

2. Modificar la señal mediante pliegues en los ejes de simetría determinados por los límites del punto anterior:

*i = (- !) ^{Z ■} (*<> ^{" lm} Ü

Donde x-iy x ₀ son la señal modificada y la señal original, "z" y lim _z " indican el índice y el valor del límite en el que se encuentra la muestra de la señal respectivamente.

3. Añadir la información relativa a los niveles (obtenidos a través de una tabla de referencia) en una trama que se adjuntará al final de la señal de datos modificada (Fig. 5a y Fig. 5b)

Por su parte, el receptor contará con un decodificador que realizará las siguientes funciones:

1. Detectar la trama completa y separar la sección de datos de la parte de información auxiliar.

2. Realizar la operación matemática pertinente utilizando como factores ambas secciones de la señal recibida (datos e información auxiliar) para recuperar la señal inicial considerando el número de pliegues de la señal de datos original y una suma al nivel indicado por la señal auxiliar (Fig. 6):

Donde y es la señal decodificada, y _r es la señal recibida y z y lim _z indican el número y el valor de amplitud del límite o eje sobre el que se pliega la señal.

En particular, para el caso de recuperar la fase, la operación matemática se reduce a una multiplicación del vector de signos y la señal en valor absoluto (Fig. 7)

y = y _r ^■ signos

3. Enviar la señal decodificada al demodulador OFDM o de algún otro tipo.

Breve explicación de los dibujos

Fig. 1 ¡lustra el "pliegue" de una señal multinivel (señal de entrada) en una señal

"plegada" limitada en valores (señal de salida).

Fig. 2 representa un esquema de un enlace de comunicación

Fig. 2b muestra el diagrama de bloques de un sistema de comunicación óptico. La señal de datos es codificada (1 b01 ) y transformada al dominio analógico (1 b02).

Después se condiciona (1 b03) para modular la luz producida por un láser (1 b05) a través de un modulador óptico (1 b04). La señal óptica entonces se envía por medio de fibra óptica al receptor que detecta la señal óptica y la transforma en eléctrica por medio de un fotodetector (1 b06). La señal eléctrica entonces se decodifica en (1 b07) para recuperar la señal original.

Fig. 2c muestra un período y un cuarto de la señal de transferencia periódica de un modulador óptico de tipo MZM.

Fig. 3 ¡lustra el límite en el caso de querer recuperar la información de fase en la señal recibida. La señal punteada será el resultado de la codificación de la señal generada.

Fig. 4 ejemplifica los límites definidos que servirán como ejes de plegado para una señal multinivel. La señal punteada será el resultado de la codificación en la señal generada

Fig. 5a muestra la señal transmitida de duración T, la primera sección contiene los datos modificados y la segunda la información auxiliar, vector de signos, requerida para su correcta detección.

Fig. 5b muestra la señal transmitida de duración T, la primera sección contiene los datos modificados y la segunda la información auxiliar, vector de trama, requerida para su correcta detección.

Fig. 6 ¡lustra la operación del decodificador después de haber detectado la sección de la señal de datos e información auxiliar para el caso en que se haya plegado la señal una o varias veces y reducir los valores máximos. Este decodificador es un ejemplo de tipo digital.

Fig. 7 presenta la operación del decodificador después de haber detectado la sección de la señal de datos e información auxiliar para el caso de recuperar la información de fase. Los valores de la señal auxiliar indicar el signo de la muestra. Este decodificador es un ejemplo de tipo analógico

Fig. 8 muestra un diagrama de bloques del codificador en el transmisor. La señal generada (701 ) se divide en dos. La señal (701 ) sufre un retardo causado por (702) y es codificada en (704). La copia de la señal generada (701 ) pasa por un comparador (703) que indicará la zona definida por los límites establecidos a partir del nivel de la señal (d[n]). Este valor pasa por el bloque (706) que revisa en una tabla de referencia (707) el índice de la zona (c[n]) así como el valor del límite (c _v [n]) que se ha sobrepasado. Estos valores se envían al codificador (704) y el índice de la zona se pasa al buffer (708) para generar la señal auxiliar. La señal retardada es codificada en (704) mediante las operaciones definidas en la fig.8b y después es almacenada en el buffer (705). Un conmutador alternará el envío de las señales de datos codificada y la señal auxiliar.

Fib.8b muestra el diagrama de bloques codificador (704) de la fig8: a la señal de datos retardada x[n] (7c01 ) se resta el valor del límite c _v [n] (7b05) que se obtiene del modulo (706) de la fig.8. Las muestras de la señal resultante se multiplican por el valor obtenido del operador (7c04) que eleva la constante "-Γ al índice de la zona, c[n] (7b04).

Fig.8c presenta el diagrama de flujo del bloque (706) de la fig.8 y que genera la señal auxiliar y los niveles requeridos para modificar la señal de datos. A partir de la señal d[n] (7b01 ) de la fig.8 que sale del comparador se define el límite máximo o mínimo, dependiendo si el valor es positivo o negativo, que ha sobrepasado el valor de la muestra actual de la señal (7b02). El valor obtenido será enviado al codificador (704) como la señal c _v [n] (7b05). También será utilizado para revisar la zona correspondiente en la que se encuentra el valor de la muestra de la señal (7b03) en una tabla de referencia (707 de la fig.8). El valor que se obtiene de la tabla de referencia, c[n] (7b04), se envía tanto al codificador (704) como al buffer (708) representados en la fig.8.

Fig. 9 ¡lustra un diagrama de bloques del decodificador en el receptor. La señal recibida (801 ) se divide mediante un conmutador en una parte con la señal de información y en la señal auxiliar. La señal de información, y _r [n], se almacena en un buffer (802) mientras que la señal auxiliar es enviada a un comparador (803) para determinar las zonas, s[n], en las que se encontraban cada una de las muestras de la trama recibida antes de ser codificadas. Las señales y _r [n] y s[n] se envían al decodificador (804) que utiliza una tabla de referencia (805) para recuperar la señal y cuyo funcionamiento se explica en la fig.9b.

Fig. 9b presenta el diagrama de bloques del decodificador en el receptor. Primero se determina el valor máximo de la señal recibida, y _r [n] en el bloque (8b01 ). A partir de este valor máximo y del número de niveles definidos en memoria (8b03) se obtienen los valores de los límites, c _v [n]. También se identifican los índices de las zonas, c[n], a partir de la señal auxiliar s[n]. Ambas tareas se llevan a cabo en el bloque (8b02). Los valores c[n], c _v [n] así como la señal recibida y _r [n] sirven como entrada al bloque (8b04) que realiza la función matemática: y[n] = (- l) ^c[ " ^{] ■} y _r [n] + c _v [n] , recuperando la señal.

Fig. 10 representa un diagrama de bloques del método propuesto, con una función de codificación (C) y decodificación (D) de una señal que se transmite por un medio (M).

Descripción de la invención - Explicación detallada Antes de dar una explicación de la presente invención, hay que señalar que la presente invención no se limita en su aplicación a los datos que figuran en la siguiente discusión o los ejemplos. La presente invención se puede llevar a cabo en diversas realizaciones. Se entenderá que ciertas características que se describen en el contexto de las diferentes realizaciones, también se puede proporcionar a una modalidad específica determinada. A su vez, ciertas características que se describen en el contexto de una modalidad individual también pueden ser proporcionada por cualquier otra forma de realización al respecto en la descripción de la presente invención. Los términos "comprende", "comprendiendo", "incluye", "incluidos", y "tiene" se supone que deben entenderse como "incluyendo pero no limitado a", mientras que el término "compuesto de" tiene el mismo significado de "incluye y se limita a". El término "que consiste esencialmente en" significa que la estructura puede incluir componentes adicionales, pero sólo si estas piezas adicionales no perturban o alteran las características básicas y nuevas de la estructura solicitada. Además, las formas singulares "una" y "la" incluyen también referencias plurales a menos que sea de otra manera dictada por el contexto.

La implementación preferida consiste en un codificador en el transmisor y un decodificador en el receptor que permitan modificar de una forma inteligente y predeterminada la señal en una parte de datos y añadir una sección de información auxiliar para recuperar la señal original. No es necesario hacer modificaciones en la planta de distribución de fibra óptica o algún medio. El codificador puede ser digital o analógico y antecederá al modulador de la señal (Fig. 8). Su funcionamiento es el siguiente:

• Identificar la longitud de la señal a transmitir

· Determinar los límites que servirán de ejes de plegado. Estos límites pueden ser:

o El eje de las ordenadas (y=0) que servirá de límite inferior en el caso de que se pretenda recuperar la información de fase de una señal óptica.

o Múltiples valores que definan los ejes de plegado sobre los que girarán las muestras de la señal que sean superiores a ellos. La amplitud de la señal entonces quedará dentro del rango de valores determinado por los límites centrales y se pretende que estos valores se encuentren dentro de la zona lineal de los componentes eléctricos y ópticos.

• Modificar la señal original cuyas muestras que sobrepasen los valores de los límites definidos se plegarán sobre los ejes de simetría tantas veces como ejes haya excedido (Fig. 8b)

• Añadir a la señal modificada un encabezado o pie de información auxiliar que indique el número de pliegues de cada muestra. En el caso de recuperar la información de fase, esta información sería idéntica a un vector de signos. Los valores se obtienen al comparar la señal con los límites y buscando el código correspondiente al nivel en una tabla de referencia (Fig. 8c).

La señal modificada será modulada y enviada por el medio de transmisión elegido. El receptor, por su parte, debe incluir un decodificador (Fig. 9) que le permita recuperar la señal original. Este dispositivo puede ser digital o analógico y funcionará de la siguiente forma:

· Detectar y separar la parte de datos e información auxiliar de cada trama

(T), manteniéndolas en memoria. En caso de ser necesario, se realizará algún método de ecualización en ambas señales.

• Realizar las operaciones matemáticas adecuadas utilizando como factores la parte de datos y la información auxiliar.

o En el caso de la recuperación de la información de fase es una multiplicación entre el vector de signos y los datos,

o En el caso de limitar los valores máximos de la señal, son plegados definidas en la sección con información auxiliar y sumas de valores de los límites (Fig. 9b)

Una vez recuperada la señal original, se envía al demodulador.