LABORATORIO DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES
Y COMUNICACIONES
Departamento de Ingeniería Eléctrica
- Universidad Nacional del Sur |
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Aplicaciones de procesamiento digital de señales
en comunicaciones digitales
Algunas líneas de trabajo adicionales
Convenios
Presentación
El Departamento de Ingeniería Eléctrica, como otros Departamentos
de la Universidad Nacional del Sur, está constituido por docentes -
investigadores agrupados en diferentes areas.
Con base en el apoyo financiero recibido al proyecto de mejoramiento
y desarrollo de las actividades del Departamento [1][2] y el regreso de varios docentes formados en el exterior,
se están llevando a cabo una serie de iniciativas para poner a disposición
de la comunidad los servicios de investigación y desarrollo disponibles
en el Departamento, asi como también hacer conocer la oferta educativa
del mismo.
En ese marco se creó el Laboratorio de Procesamiento de
Señales y Comunicaciones (LaPSyC) orientado a reunir esfuerzos
y actividades de un grupo de docentes, investigadores y graduados en aplicaciones
relacionadas con las telecomunicaciones en general, y con las técnicas
de procesamiento digital de señales en particular.
El grupo está formado especificamente por 2 profesores con dedicación
exclusiva y varios auxiliares y alumnos de grado y posgrado.
Obviamente los objetivos de este laboratorio se complementan con
los existentes en el Departamento de forma que, interdisciplinariamente, la
cooperación y colaboración del LaPSyC con otros laboratorios,
como por ejemplo los de: Control y Robótica, Sistemas Digitales y
Electrónica, forma parte de la oferta y respaldo de las actividades
específicas.
En este documento se pretende hacer una introducción al aspecto
de la oferta de servicios que contempla la Oferta de Investigación
y Desarrollo: Aplicaciones de procesamiento digital de señales
en comunicaciones digitales.
Consideraciones generales
El presente proyecto contempla el desarrollo, optimización e implementación
de técnicas de procesamiento digital de señales y filtrado adaptivo
en comunicaciones. El objetivo principal es el desarrollo de estratégias
adecuadas para varios tipos de aplicaciones actuales de comunicaciones digitales.
Para ello se prevé la utilización de diversas herramientas
tanto conceptuales (teóricas) como prácticas.
Como herramientas prácticas consideraremos: filtrado adaptivo, ecualizadores
lineales y de realimentación de decisión, implementación
en procesadores especializados y simulación, emulación y modelado
en ambientes específicos.
Entre las aplicaciones consideradas se puede tener en cuenta:
- Reducción de interferencia intersímbolos (ISI) en
Acceso digital rápido al abonado (HDSL, ADSL y VDSL).
- Reducción de ISI y cancelamiento de interferencia de
canal adyacente en comunicaciones móviles inalámbricas.
- Reducción de ISI en modems para redes locales inalámbricas.
Consideraciones específicas
La demanda futura de sistemas de comunicaciones personales, aplicaciones
multimediales, sistemas inalámbricos y equipamiento portable (bajo
consumo) requerirá de la integración de aplicaciones de audio,
video y graficos a través de redes. Algunas de esas aplicaciones, sino
todas, harán uso de ISDN (red digital de servicios integrados) y sistemas
de comunicaciones móviles inalámbricos (con base en técnicas
de Espectro Disperso, Spread Spectrum)).
Las aplicaciones particulares contempladas tienen como base técnicas
de Procesamiento Digital de Señales en general y de Filtrado
Adaptivo y ecualización en particular.
Con el citado interés en la transmisión de video y
audio en tiempo real y con el progreso de las tecnologías VLSI, se
ha colocado mucha atención en las aplicaciones denominadas: high-bit-rate
digital subscriber loop (HDSL) y asymmetric digital subscriber loop (ADSL)
las cuales proveen velocidades de transmisión (T1) iguales o mayores
a 1.544 Mb/s.
HDSL utiliza, por ejemplo, dos pares trenzados de alambres de cobre para
la transmisión sin repetidores en líneas especiales a 1.5 Mb/s.
La utilización de cancelamiento de eco en HDSL permite transmitir
por cada par a 784 Kb/s. ADSL utiliza un par trenzado para proveer la transmisión
a 1.5 Mb/s en una dirección sobre un lazo de canal telefónico
analógico de hasta unos 5 Km.
La expectativa es que HDSL se orientará a un ambiente de empresa
mientras que ADSL será utilizado en un ambiente hogareño donde
los usuarios tendrán acceso a numerosos servicios personales tales
como vídeo, bases de datos educacionales, diarios y revistas, y mercado
financiero. ADSL por su naturaleza (asimetría) está orientado
al acceso de información solamente y permite una señal de control
del usuario al proveedor del servicio relativamente baja.
Las aplicaciones HDSL y ADSL, como ejemplo de aplicaciones viables
para el presente proyecto, requieren ecualizadores lineales y de realimentación
de decisión adaptivos. Estos dispositivos están basados en filtros
adaptivos (FIR o IIR) cuyos parámetros de diseño limitan el
desempeño en las redes nombradas. Lograr mayor eficiencia con esas
operaciones puede conducir a velocidades superiores o menor consumo; sin
embargo es difícil lograr una mayor eficiencia debido a la presencia
de largos lazos de realimentación asociados a las operaciones de adaptación.
Por ello se pretende introducir mejoras en los algoritmos de adaptación
fundamentalmente orientadas a reducir la complejidad computacional y aumentar
la robustez en relación a características de implementación.
Otra alternativa de aplicación de los resultados de este proyecto
está relacionada con el desempeño adecuado de canales inalámbricos,
en particular de modems dedicados a redes locales inalámbricas y/o
comunicaciones móviles inalámbricas. En estos casos son de
relevante importancia también técnicas de cancelamiento y/o
reducción de interferencias.
La clave para el desarrollo de soluciones dentro de las areas
propuestas en nuestro laboratorio está asociada a aplicaciones donde
el marco es el Procesamiento Digital de Señales. En este sentido
las herramientas de trabajo en esa tecnología está asociada
a procesadores especializados (DSP), cuyo entorno de desarrollo es
sofisticado tecnologicamente pero accesible en términos de inversión
para las instalaciones disponibles en el Laboratorio de Procesamiento de
Señales y Comunicaciones (LaPSyC)
Descripción del Proyecto
Finalidades Específicas
Determinados problemas de telecomunicaciones, reconocimiento de patrones
y modelado presentan una gran área común en lo que hace a las
técnicas para su tratamiento, difiriendo en las modalidades de aplicación.
Por ello, en términos generales, podemos decir que el presente proyecto
de investigación está orientado al procesamiento de la información
sujeta a una interferencia genérica. De esta manera se genera un ambiente
común para estudiar diversos problemas desde una perspectiva suficientemente
amplia. Consideramos que esta modalidad es enriquecedora para la producción
de resultados científico - tecnológicos adecuados y complementariamente,
para la formación de recursos humanos.
Desde el punto de vista práctico, el tratamiento de los diversos
temas sigue tres líneas u orientaciones que se describen a continuación:
- Técnicas de filtrado adaptivo recursivo. Esta línea
pretende continuar en la extensión teórico-práctica de
técnicas convencionales de filtrado adaptivo [14][12][16][24] hacia esquemas de filtrado utilizando realizaciones
de respuesta infinita al impulso (IIR) [29].
El aporte aquí estará asociado a la caracterización
y nuevas herramientas de análisis para el problema [14], teniendo como objetivo aplicaciones de identificación
de sistemas de orden insuficiente. En este sentido se continuará perfeccionando
las líneas iniciadas [9][10] fundamentalmente analizando propiedades de puntos
estacionarios y diferentes realizaciones eficientes de variantes de los algoritmos
de Steiglitz-McBride, gradiente recursivo [22], variables
instrumentales [32], error de ecuación [23] e hiperestable [33][19].
La utilización de criterios basados en la norma de Hankel [27][11] para comparar el
desempeño de diferentes algoritmos en la aplicación de orden
insuficiente es una opción particular de este estudio. Para una implementación
eficiente de algoritmos de filtrado recursivo se tendrán en cuenta
realizaciones balanceadas de filtros digitales [30]
y se analizaran sus propiedades en el presente contexto de aplicación.
El plan a desarrollar tiene en cuenta las siguientes actividades:
- Proposición, estudio, análisis y aplicación de
esquemas eficientes de filtrado adaptivo para procesamiento en línea.
En esta línea se pretende la continuación de las tareas de
investigación en aspectos relacionados con nuevos algoritmos y/o critérios
de optimización, aplicaciones y caracterización. En particular:
Análisis y diseño de estructuras de filtrado adaptivo IIR y
FIR, con especial énfasis en la caracterización de propiedades,
velocidad de convergencia y complejidad computacional.
- Se pretende también contemplar el estudio y análisis
del desempeño de técnicas de filtrado adaptivo utilizando aritmética
de procesadores especializados de precisión finita. Con este objetivo
se realizará la implementación y evaluación de diferentes
algoritmos en los equipos de desarrollo ADI-2100 (2101 y 2181) de Analog Devices,
Inc. [6]. Una aplicación típica de
este tipo de técnicas en modems para ADSL se muestra en la figura 1.
- En todos los casos se pretende verificar los resultados teóricos
con simulaciones computacionales e incluso con la implementación práctica
de los algoritmos sobre la familia de procesadores especializados disponibles.
- Técnicas de optimización en filtrado inverso.
En esta línea se pretende extender las aplicaciones y desempeño
de algunos algoritmos específicos de ecualización, en particular
de estructura lineal y de realimentación de desición. Se orientará
a la caracterización y estudio de MMSE (minimum mean square error)
[21] [25] en filtrado inverso
contemplando el compromiso entre reducción de ruido y eliminación
de interferencia inter-símbolos (ISI).
Son importantes las consecuencias de la caracterización de la
modelización en la optimización del MMSE, fundamentalmente en
lo relativo a las soluciones del problema con complejidad computacional limitada.
Se pondrá especial énfasis en estructuras de filtrado adaptivo
recursivo para complementar aspectos de aplicación de la primera línea
de trabajo de este proyecto. En este sentido se estudiaran diferentes realizaciones
de ecualizadores contemplando estructuras tanto FIR como IIR o combinadas
procurando obtener una caracterización completa del problema en diversas
aplicaciones prácticas [8].
El plan a desarrollar tiene en cuenta los siguientes aspectos:
- Proposición, estudio, análisis e implementación
de algoritmos de ecualización con estructura lineal, de realimentación
de desición o estructuras alternativas que contamplen una mejora en
el desempeño desde el punto de vista complejidad computacional y velocidad
de convergencia. En este sentido se analizaran variantes tanto del tipo FIR
como del tipo IIR.
- Se tendrá en cuenta también: a) caracterización
del MMSE en las configuraciones nombradas (lineal y de realimentación
de desición) b) caracterización para implementaciones prácticas
(FIR e IIR) en los filtros pre-cursor y pós-cursor. Se llevaran a
cabo, además del estudio y análisis correspondientes las simulaciones
que permitan confirmar el desempeño esperado [18]. Finalmente se implementarán y/o emularán
las técnicas propuestas en procesadores especializados disponibles
en el Departamento (ADI 2181). Una aplicación típica de las
técnicas desarrolladas en relación a modems para redes inalámbricas
se muestra en la figura 2.
- Técnicas de cancelamiento-reducción de interferencias.
En esta línea se pretende trabajar fundamentalmente desde el punto
de vista de la extensión de técnicas de procesamiento adaptivo
eficientes en un canal con interferencias de características bien definidas
[17].
Esta línea representa una extensión a la aplicación
de reducción de interferencia inter-símbolo, hacia otros tipos
de interferencias. Un caso de aplicación es el de CDMA (code division
multiple access) en comunicaciones móviles inalámbricas [21][26][20].
En este caso se consideran interferencias de los siguientes tipos: de canal
adyacente (adjacent-channel interference, ACI), canal suplementario (co-channel
interference, CCI), además de la ISI asociada al ancho de banda limitado
del canal. El uso de técnicas eficientes permitirá alternativas
más económicas que la reducción del tamaño de
las celdas, como solución a la mayor demanda de ancho de banda disponible
asociada al aumento del número de usuarios [28][31].
El plan contempla las siguientes actividades:
- Desarrollo de herramientas de simulación de un canal de comunicaciones
móviles, con las características de desvanecimiento y multicamino,
donde serán analizadas técnicas de ecualización y cancelamiento
de interferencias eficientes.
- Se colocará especial énfasis en el modelado y simulación
[18] de un canal inalámbrico móvil
asociado a técnicas de Espectro Disperso (Spread Spectrum) [28] para la caracterización de los tipos
de interferencia de interés: ACI y CCI además de ISI.
Resultados esperados
Los resultados esperados del presente proyecto contribuirán a la dilucidación
de los problemas planteados de la siguiente manera
- El análisis y diseño de nuevas técnicas de filtrado
adaptivo permitirá avanzar sobre varias aplicaciones de utilidad en
problemas de comunicaciones. Particularmente, la utilización de estructuras
recursivas adecuadas permitirá un mejor desempeño general.
La caracterización y evaluación de desempeño tanto
en aplicaciones de orden adecuado como de orden reducido (estimación
no polarizada, estable y unimodal) serán los objetivos en este caso.
Nuevas realizaciones de filtros adaptivos también serán tenidas
en cuenta.
- La caracterización de herramientas adecuadas de ecualización
y cancelamiento - reducción de interferencias que también se
contempla en este proyecto, permitirá un análisis concreto de
los problemas asociados a un canal específico de comunicaciones.
Esta caracterización, a través de una herramienta adecuada
de simulación y/o implementación, permitirá la evaluación
del desempeño de las técnicas a ser utilizadas y ayudará
en su mejor elección.
Relevancia de la propuesta
El área de procesamiento de señales es una de las más
vastas y activas en el campo de ingeniería electrónica actual.
Son evidentes actualmente los bajos costos y prestaciones actuales del hardware
asociado a los sistemas de adquisición de datos y sistemas de computación
(fundamentalmente debido a los notorios avances en ramas de microelectrónica
conducentes a circuitos analógicos, digitales e híbridos implementados
en tecnología VLSI, very large scale of integration). Resulta natural
concluir que el desafío actual y futuro de muchas aplicaciones radica
en el tratamiento de la información [7][13]. Por ello el presente
proyecto, en su faz de aplicaciones, apunta al desarrollo de sistemas
con un alto valor agregado orientado a satisfacer requerimientos concretos
de la industria moderna.
Las mejores prestaciones y mayor velocidad requeridos por los sistemas
de comunicaciones modernos, necesitan de la utilización de técnicas
de procesamiento adaptivo de señales confiables, para aprovechar al
máximo la limitada capacidad de los medios de propagación. Gran
parte de los esfuerzos de investigación en técnicas de filtrado
adaptivo están centrados en el desarrollo de algoritmos eficientes
y confiables utilizando como base estructuras de filtrado recursivas.
Como se citó anteriormente, la demanda futura de sistemas de comunicaciones
personales a través del uso de ISDN (red digital de servicios integrados)
la cual permite transmitir sobre lineas de usuario especiales, representa
una aplicación de creciente demanda e interés. Esto ha llevado
a colocar mucha atención en las aplicaciones denominadas xDSL (Single
direction (SDSL), High-bit-rate (HDSL), Assymetric (ADSL) y Very high-bit-rate
(VDSL).
La utilización de un cancelador de eco adecuado es escencial
en las aplicaciones de HDSL y ADSL. La adecuación de las señales
duplex simétrica y asimetrica que las caracteriza a un canal con severas
distorsiones a las frecuencias especiíficadas se logra mediante las
técnicas analizadas en el presente proyecto.
Las aplicaciones xDSL requieren además ecualizadores lineales y
de realimentación de decisión adaptivos. Estos dispositivos
están basados en filtros adaptivos (FIR o IIR) cuyos parámetros
de diseño limitan el desempeño en las redes nombradas. Lograr
mayor eficiencia con esas operaciones puede conducir a velocidades superiores
o menor consumo; sin embargo es difícil lograr una mayor eficiencia
debido a la presencia de largos lazos de realimentación asociados a
las operaciones de adaptación. Por ello se pretende introducir mejoras
en los algoritmos de adaptación fundamentalmente orientadas a reducir
la complejidad computacional y aumentar la robustez en relación a
características de implementación.
Las comunicaciones móviles e inalámbricas, por otro
lado, ocupan un espacio importante dentro del amplio espectro de posibles
aplicaciones de las comunicaciones digitales y se prevé una demanda
creciente de sistemas y servicios en el futuro, lo que requerirá un
uso cada vez más eficiente de los recursos disponibles (ancho de banda
de transmisión, número de usuarios por celda, diversificación
del tamaño de las celdas, etc.).
En particular, teniendo en cuenta el aspecto de dimensionamiento de las
celdas, la caracterización del canal de comunicaciones revela diferente
comportamiento según sean comunicaciones de cortas, medias o largas
distancias. En el segundo y tercer caso las condiciones más severas
impuestas por los fenómenos de desvanecimiento y multi-camino (traducibles
en selectividad en frecuencia e interferencia inter-símbolos) conducen
a que la eficiencia del sistema dependa de las técnicas de ecualización
utilizadas tanto como de los parámetros propios del canal.
Por otro lado, en el caso de cortas distancias, especialmente orientado
a comunicaciones móviles inalámbricas, la eficiencia del sistema
aparece muy asociada específicamente a la técnica de codificación
de voz [15] utilizada en el enlace, en forma relativamente
independiente de la problemática de caracterización del canal.
A pesar de que desde el punto de vista del dimensionamiento de las celdas
el problema aparece como conceptualmente diferente, el estudio de técnicas
de cancelamiento y/o reducción de interferencias que se adecuen a
ambos contextos, cortas y/o largas distancias, reviste evidente importancia
en el tema general de esta aplicación y es una de las principales
motivaciones para su propuesta como tema de trabajo.
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- [33] J. Treichler, C.R. Johnson and M. Larimore,
Theory and Design of Adaptive Filters, Wiley Interscience, 1987
Integrantes
Profesores:
- Dr. Juan E. Cousseau
- Ing. Pedro D. Doñate (Candidato Doctorado)
Auxiliares y Becarios
- Ing. Fernando Gregorio (Candidato Magister, Becario ANPCyT)
- Ing. Marcelo Bruno (Candidato Magister, Auxiliar Doc.)
- Ing. Gustavo Difranco (Auxiliar Doc.)
Algunas líneas de trabajo
adicionales
Una síntesis de las líneas de trabajo actualmente desarrolladas
es la siguiente (archivos formato pdf):