Contribución al desarrollo de técnicas de prototipado rápido de sistemas de comunicaciones

Resumen

Actualmente existe un interés creciente en lo que se ha denominado Prototipado Rápido de sistemas de comunicaciones, con el objetivo principal de reducir el ciclo de desarrollo al tiempo que se mejora la calidad de los nuevos productos. Un buen ejemplo de estos nuevos sistemas es el estandarizado en Europa como DVB-T, es decir, el Sistema Europeo de Difusión Terrestre de Televisión Digital.

La complejidad de este sistema y el hecho de que se trate de unas tecnologías rápidamente emergentes, lo configuran como un claro ejemplo en que las ventajas que ofrece el Prototipado Rápido serían fundamentales. Sin embargo, esta complejidad supone también una mayor dificultad para implementar un prototipo en tiempo real. Por este motivo, ninguno de los trabajos publicados en este campo ha abordado la aplicación de estos conceptos a un sistema de este tipo.

Este trabajo aporta un estudio de dos posibles soluciones:

- Realización de un escalado del sistema que permita la implementación en tiempo real.
- Implementación del sistema completo a la máxima velocidad posible, pero sin llegar a tiempo real, manteniendo varias de las ventajas que ofrece el Prototipado Rápido.

La elección de una de estas dos posibilidades requiere un conocimiento en profundidad de la técnica de transmisión utilizada en este sistema, esto es, la denominada Multiplexión Ortogonal en Frecuencia (OFDM). Aunque la utilización de esta técnica multi-portadora (MC) se propuso en los años 70 y 80, no se ha impuesto realmente como alternativa eficiente para la transmisión en medios de comunicación hostiles hasta estos últimos años, motivo por el cual, su comportamiento ante los diferentes agentes que pueden degradar la calidad de la señal no había sido estudiado exhaustivamente.

Por este motivo, se ha analizado con detalle la influencia de los siguientes elementos en la calidad de la señal OFDM y su dependencia con el número de sub-portadoras que componen la señal:

- canal multi-trayecto
- ruido de fase
- efectos no lineales de los amplificadores
- sincronismo

Este análisis nos ha permitido conocer exhaustivamente cómo afecta cada uno de estos factores a la calidad de la señal OFDM y por tanto, llegar a las siguientes conclusiones:

1. Un escalado en el número de sub-portadoras conduce a un sistema que se comporta de modo totalmente diferente frente al canal multi-trayecto.
2. Teniendo en cuenta el ruido de fase que cabe esperar en un sistema como el que nos ocupa, un escalado en el número de sub-portadoras conduce a que el sistema se comporte de modo diferente cuando se corrigen sus efectos.
3. Un escalado del número de sub-portadoras conduce a un sistema que se comporta de modo diferente en lo relativo a las funciones de sincronismo.
4. Es posible realizar un escalado en el número de sub-portadoras sin que ello afecte a la respuesta del sistema frente a efectos no lineales del amplificador.

De este modo, un análisis detallado de las implicaciones de la modificación del número de subportadoras, parámetro fundamental de la señal OFDM, en las características de un sistema basado en este tipo de transmisión ha conducido a descartar la posibilidad de realizar un escalado del número de sub-portadoras como medio para posibilitar la realización de un prototipo en tiempo real.

Por otra parte, de este estudio en detalle de las características de la señal OFDM han surgido dos alternativas a la simulación clásica, basada en el método de Montecarlo, para estimar la probabilidad de error en el receptor, con el consiguiente ahorro en recursos y tiempo de simulación.

Una vez descartada la primera solución, se ha optado por la obtención de un prototipo que, pese a no funcionar en tiempo real, a causa de la limitación en los recursos disponibles, proporcione algunas de las ventajas que ofrece el Prototipado Rápido.

El proceso de diseño, apoyado en la simulación para optimizar todos los parámetros del sistema, ha llevado a la consecución de un prototipo en DSP con los elementos fundamentales de un sistema de difusión de televisión digital basado en el estándar DVB-T. Este prototipo permite obtener información objetiva y subjetiva de la calidad del sistema.

Se obtienen, de este modo, varias de las ventajas que ofrece el Prototipado Rápido, facilitándose:

- Optimizar parámetros
- Evaluar cualidades subjetivas
- Comprobar la posibilidad de implementación

Por otra parte, el prototipo obtenido es muy flexible, ya que cualquiera de sus parámetros y funciones se puede modificar de un modo muy simple. De este modo, este prototipo nos acerca al novedoso concepto de Radios Software, muy ligado al de Prototipado Rápido.

Por último, cabe destacar que la metodología desarrollada, que se ha aplicado al diseño de un sistema de comunicaciones concreto, posibilita la implementación de cualquier sistema de comunicaciones siguiendo el concepto de Prototipado Rápido.

ABSTRACT

In these days there is an increasing interest in what has been called Rapid Prototyping of communication systems, with the main objective of reducing the design cycle and increasing the quality of new products. A good example of these mew systems is the European DVB-T standard, that is, the European Terrestrial Broadcasting System of Digital Television.

The complexity involved and the fact that we are dealing with rapidly emergent technologies configure this system as a clear example in which the advantages offered by Rapid Prototyping would be of great importance. However, this complexity causes at the same time a greater difficulty for real time implementation. For this reason, none of the published work in this fields has approached the application of Rapid Prototyping concepts to such a system.

In this context, we have developed a methodology to allow using software design tools in order to achieve easy, rapid and efficient implementation of communication systems’ prototypes by using digital signal processors (DSPs). At the same time, some solutions have been searched to the problem of real time implementation of complex communication systems, such as the DVB-T.

This work considers two possible solutions:

- Scaling some parameter in the system so that a real time implementation is possible.
- Non real time implementation of the whole system, maintaining some of the advantages offered by Rapid Prototyping.

The election of one of these possibilities requires a deep knowledge of the transmission technique used in this system, that is, the so called Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Although this multicarrier (MC) technique was proposed in the 70’s and 80’s, it has not been really adopted as an efficient alternative to the transmission in hostile media until the last years. This is the reason why its behavior in the different situations that can cause a degradation in the signal quality had not yet been exhaustively studied.

This fact has led us to analyzing in detail the influence of the following elements in the OFDM signal quality and its dependence with the number of sub-carriers contained in the signal:

- multipath channel
- phase noise
- non linear effects of amplifiers
- synchronization

This analysis has allowed us to know in deep how each of these factors affects the OFDM signal quality, so that we have reached the following conclusions:

1. Scaling the number of sub-carriers leads to a system with a different behavior against multipath channels.
2. Considering the phase noise characteristics that we can expect in the system under study, a scaling of the number of sub-carriers produces a different behavior of the system in relation to phase noise.
3. Scaling the number of sub-carriers leads to a system which behaves in a different way in relation to synchronization functions.
4. It is possible to make a scaling in the number of sub-carriers without affecting the system response to non linear effects.

In this way, a detailed analysis of the implications of modifying the number of sub-carriers, a main parameter in the OFDM signal, in the characteristics of a communication system using this transmission technique has led us to discarding the possibility of scaling the number of sub-carriers as a means of allowing real time implementation.

On the other hand, two alternative techniques to the classical Montecarlo simulations for error estimation in communication systems have emerged from this deep study of the OFDM signal characteristics, with the consequent saving in resources and simulation time.

Once that the first solution has been discarded, the second option has been considered, that is, obtaining a non real time prototype (real time cannot be accomplished due to our resource limitations) which can still give some of the advantages involved in Rapid Prototyping.

The design process, based in simulation as a means of optimizing every system parameter, has led to the consecution of a DSP prototype with the main elements of a digital television broadcasting system following the DVB-T standard. This prototype allows us to obtain both subjective and objective information about the system quality.

That means that some of the advantages of Rapid Prototyping are still obtained and we can:

- Optimize parameters
- Evaluate subjective qualities
- Verify the possibility of implementation

On the other hand, the prototype is very flexible because any of its parameters and functions can be easily modified. In this way, this prototype brings us close to the Software Radio concept, very related to that of Rapid Prototyping.

Finally, it should be noted that the methodology which has been developed and applied to a given communication system, makes it possible to implement any communication system following the Rapid Prototyping concept.