Brevet FR2028323A1 — publié le 19701009

La présente invention concerne les communications radio et la téléphonie et spécialement des dispositifs conçus pour réduire les caractéristiques d'atténuation de fréquence et de bruit des canaux de communication. On a développé de nombreuses techniques pour augmenter la fiabilité de 5 la transmission d'information dans les milieux présentant une atténuation ou "fading." Un dispositif utilise deux signaux orthogonaux à bande large pour la transmission de 1'infoitnation binaire. Le récepteur établit une corrélation entre les ondes reçues avec successivement des ondes de références retardées. Les retards sont suffisamment longs pour que les pics de corréla-10 tion provenant des composants de signaux à multi-trajets séparés puissent être résolus. Ces pics de corrélation sont retardés, dosés de façon optimale pour rendre maximal le rapport signal-au-bruit, et combinés dans un mélangeur linéaire. L'utilisation d'un signal à bande large est nécessaire dans ce système, puisque son succès dépend de l'étroitesse de la fonction d'auto-corrélation 15 du signal. Ainsi, le système a pour désavantage qu'il nécessite un canal à bande large pour transmission. Dans un autre système on utilise un signal à bande de base binaire pour moduler une porteuse; la porteuse est simultanément modulée en quadrature par le même train de données après qu'il ait été retardé. Ainsi, chaque bit d'un 20 signal de bande de base apparaît deux fois dans une porteuse modulée. On peut alors diviser la porteuse modulée en groupes de 34 éléments et leur faire subir une transformation de Fourier de telle sorte que la modulation provenant de chacun des trente quatre éléments se réfère à une sous porteuse particulière dans un signal multiplex en fréquence. Puisque chaque bit de donnée apparaît 25 sur deux éléments du train, chaque bit apparaît sur deux sous porteuses du type multiplex à division de fréquence (FDM). Ainsi, le système permet une "diversité de fréquences1 à l'aide d'une transformation de Fourier d'un signal à"diversité de temps" et c'est cette Idiversitéde fréquence" que l'on utilise pour surmonter les effets de Fading sélectif dans la largeur de bande de trans-30 mission. Cependant, ce système nécessite une synchronisation très coûteuse et des coûts d'équipement de transmission et de modulation inhabituellement élevés. De plus, le système ne conduit pas à une mise en application facile des schémas de correction d'erreurs pour la correction des erreurs induites par le canal. 35 Si les atténuations de fréquences pouvaient être prédites et ne variaient pas dans le temps, elles ne présenteraient que peu de problèmes. On pourrait envoyer le signal transmis sans information dans les bandes où une atténuation de fréquence pourrait se produire. Cependant, puisque les atténuations de fréquences se produisent au hasard dans le canal, et qu'elles varient len-40 tement de fréquence à fréquence, on ne peut pas réaliser une telle compensation. 69 32236 2 2028323 On utilise un autre système qui tente de corriger de telles atténuations de fréquences. Il renvoie un signal pilote qui varie sur là largeur de bande complète du signal d'information. Au récepteur, on localise les zfines où les atténuations de fréquence se produisent, l'information est retransmise au trans-5 metteur, de telle sorte qu'à son tour (le transmetteur) puisse transmettre les informations sur des fréquences autres que celles où se produisent les atténuations. Un troisième système multiplexe de nombreux trains de données à transmettre sur un ensemble de canaux ds transmission à bande étroite. Les trains 10 de données sont divisés en périodes de temps égales, qui sont à leur tour subdivisées en un nombre de subdivisions égalas au nombre de bandes étroites du canal de transmission. La première subdivision de chacun des trains de données est transmise en série sur la première bande étroite du canal de transmission, la seconde subdivision de chacun des trains de données est transmise sur la 15 seconde bande étroite du canal de transmission, etc.. Le fading de fréquence entraînera des erreurs isolées dans le temps dans le signal reconstruit au récepteur permettant une mise en oeuvre facile des schémas de correction d'erreurs. L'équipement nécessaire pour multiplexer les divers trains de données sur les canaux de transmission et reconstruire le train de données orginal, 20 cependant, est prohibitif. Ainsi, un objet de la présente invention est de produire un système de communication pour transmission sur les canaux présentant une atténuation de fréquence. Un autre objet de la présente invention est de satisfaire aux objets ci-25 dessus sur une largeur de bande limitée par rapport aux systèmes de l'art antérieur. . Un autre objet de la présente invention est de satisfaire aux objets ci-dessus avec la correction des erreurs induites par le canal. Un autre objet de la présente invention est de fournir un système de com-30 munication tel qu'il soit réalisé facilement et construit de façon économique. L'invention est conçue pour fonctionner sur des canaux présentant une fading sélectif. Elle transforme les caractéristiques de fading sélectif de fréquence du canal en une modulation d'amplitude répétitive de l'enveloppe du signal détecté. Si le signal de bande de base est un signal vecteur du type 35 FDM, un fading long à une fréquence particulière, qui autrement oblitérerait un canal unique ou un groupe adjacent de canaux est transformé en un "trou" se répétant dans le temps dans tous les canaux. De plus, le système peut comprendre un code correcteur d'erreurs groupées, qui peut être utilisé pour shun-ter "ce trou", permettant un fonctionnement amélioré sur le canal présentant 40 le fading sans utilisation de "transmission en diversité". 69 32236 3 2028323 La réalisation préférée utilise' un signal de bande de base FDM consistant en de nombreuses sous-porteuses modulées en fréquence FM. Chaque sous-porteuse est modulée par un train de données binaires qui a été traité pour contenir en codage pour erreurs groupées. Plutôt que de transmettre le signal 5 de bande de base lui-même, le système transmet un signal qui est la transformation de Fourier du signal de bande de base. De cette façon, les perturbations du canal dépendant de la fréquence sont transformées en effets dépendant du temps dans le récepteur, où la transformation inverse du signal reçu est effectuée. Du fait que la porteuse transmise soit modulée linéairement, 10 le signal reçu est juste le signal transmis modulé en amplitude périodiquement par l'amplitude de la réponse en fréquence du canal. La période de répétition de la modulation est déterminée par l'intervalle de tamps sur lequel la transformation de Fourier finie du signal est prise. Puisque le signal reçu n'est que le signal transmis modulé en ««olitude 15 périodiquement par l'amplitude de la réponse en fréquence du cana* si le canal a une petite chute de fréquence, le signal obtenu après la transformation de Fourier inverse, présentera une petite "chute de temps" sur chaque intervalle de temps. Si le train de données de signal de bande de base comprend un code de correction d'erreurs groupées convenable, alors les "trous de temps," qui 20 apparaissent dans le train de données digital comme erreur de groupe, peuvent être restauré avec succès. La réalisation préférée de l'invention comprend un multiplexeur pour mul-tiplexer en division de fréquence (FDM) plusieurs trains de données en un train de données. L'entrée du système consiste en quatre trains de données binaires. 25 Chaque train est traité séparément par un codeur de correction d'erreurs groupées. Un modulateur module alors chaque train sur des porteuses différentes séparées en fréquence par une quantité suffisante de telle sorte que le spectre résultant ne se recouvre pas. Dans la réalisation préférée, le schéma de modulation particulier est une modulation à quatre niveaux de phase. Les porteuses 30 résultantes modulées sont additionnées pour former un signal FDM unique. Le train de données résultant est traité par un convertisseur analogique digital qui convertit la forme analogique en un train de données digital. Un analyseur de Fourier digital en temps réel (connu dans la technique sous les initiales RTDFA) divise le train de données digital résultant en intervalles de temps 35 égaux et calcule la transformée de Fourier pour chaque intervalle de temps. Un convertisseur digital analogique reconvertit la sortie transformée de Fourier exprimée digitalement du RTDFA en onde analogique qui est transmise sur un canal de fréquence à fading sélectif. Au récepteur les fréquences provenant du signal analogique d'origine 40 transmis qui ont survécues dans le canal sont échantillonnées et converties 69 32236 4 2028323 en un train digital par un échantillonneur et un convertisseur analogique digital. Un RTDFA prend la transformée de Fourier inverse de la sortie du convertisseur analogique digital. La transformée inverse est convertie de sa forme digitale sous forme analogique dans un convertisseur digital analogique. Fi-5 nalement, on soumet la sortie à des filtres passe-bande et des démodulateurs pour démultiplexser convenablement et détecter le signal. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte et qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. 10 La figure 1 est une représentation graphique de l'effet de l'invention . sur une onde analogique dans un canal à fading de fréquence sélectif. La figure 2 représente la réalisation préférée de l'invention. La figure 3 représente la réalisation préférée du pré-traiteur 215 de la figure 2. 15 La figure 4 est une représentation graphique du fonctionnement du pré traiteur 215 représenté dans la figure 3. Avant la description des réalisations préférées, on donne les bases théoriques qui expliquent son fonctionnement. Soit le signal de bande de base qui est f(t)j dans une réalisation générale le signal peut être soit un signal 20 unique, soit un signal composé multiplex. Les signaux de bande de base f(t) sont divisés en un nombre de périodes de temps égales T où T est égal à 1/B où B est égal à la largeur de bande du signal de bande de base. On obtient la transformée de Fourier de f(t). 4» If 11 ) I » FCw) Eq. 1 25 et elle est transmise comme fonction du temps par une technique de modulation linéaire. Ainsi, le signal transmis est ST(t) = FCt) Eq. 2 La fonction de transfert d'un canal présentant une atténuation sélective lente, linéaire sera représentée par H(w). La eéponse d'Impulsion du canal 30 est h(t), où H(w) - *lh(t)I Eq. 3 Après transmission sur le canal présentant du fading, le signal reçu S^(t) est S_Ct) = S_Ct) -* htt) » Fit) * hCt) Eq. 4 R ■ T 35 où le symbole -a représente l'opérateur de transformation. On se rappelera que le résultat de l'émission d'un signal à travers un canal est égal à ce signal transformé avec la réponse en impulsions du canal. En référence maintenant à la figure 1, on représente un signal de bande de base (f(t) avant la transmission. On représente aussi la fonction de trans-40 fert du canal H(w). On doit remarquer sur la largeur de bande B qu'il se trouve 69 32236 5 2028323 une petite région des fréquences f^ à f^ où la valeur de la fonction de transfert est zéro. Cela peut être dû à un nombre d'effets bien connus, tels que le fading ionisphérique. Aussi, dans des buts d'illustration on ne représente qu'un fading dans la largeur de bande du canal considéré. Cependant, on recon-5 naît que de nombreux fadings peuvent exister, et qu'ils ne sont pas nécessairement de la forme rectangulaire parfaite représentée. Au récepteur, S^Ct) est passé dans un RTDFA qui donne la transformée de Fourier résultant en *ISR(T) I = *»F(t) -* h(t)I - fCw) Htw) = S'RCWJ Eq. 5 10 On interprète cela dans le domaine du temps comme le canal reçu désiré multiplié par la caractéristique de fréquence du canal de transmission. Ainsi, S' (w) « S'_(T) = ftt) HCt) Eq. 6 K K Maintenant de nouveau en référence à la figura 1, on représente le signal reçu S' (t). Comme on peut le voir à partir du schéma et de l'équation 6, les K 15 fadings de fréquence apparaissent dans chaque intervalle T sous forme d'une erreur localisée dans le temps. Aisi, par transmission de la transformée de Fourier du signal à domaine de temps original, ce qui aurait apparu comme des atténuations de fréquence s'étendant d'un bout à l'autre du canal partout où elles se sont produites, apparaissent maintenant comme erreur localisée dans 20 le temps dans le signal reçu. On représente dans la figure 2 la réalisation préférée de l'invention. Puisqu'une personne de l'art pourrait facilement fournir la synchronisation nécessaire, on ne représente pas pour des raisons de clarté les signaux de synchronisation et les horloges. A l'entrée 201 se trouvent plusieurs sources 25 de données binaires. Elles sont alimentées dans le correcteur d'erreurs 203. Le correcteur d'erreurs 203 code chacun des canaux avec un code de correction d'erreurs. On décrit des dispositifs convenables pour une telle tâche dans la demande de brevet déposée en France le 12 Octobre 1967 par la demanderesse et obtenue sous le numéro 1 540 351. Dans la réalisation préférée, chacun de 30 ces signaux codés sont du type FDM. Chacune des sorties du correcteur d'erreurs 203 forme une entrée à leurs modulateurs respectifs 205 - 208. Les porteuses modulées dans les modulateurs 205 - 208 sont séparées en fréquence d'une quantité suffisante de telle sorte que le spectre résultant ne se recouvre pas. On doit choisir le schéma de modulation particulier à utiliser pour rendre 35 maximum l'utilisation de la largeur de bande. Il doit aussi être relativement indifférent aux variations d'amplitude. Dans la réalisation préférée, on préfère une modulation de phase multi-niveaux. Par exemple, l'utilisationd'une modulation de phase à quatre niveaux permet la transmission simultanée des données de bande de base et de la redondance du code d'erreurs en quadrature. 40 Les sorties des modulateurs 205 - 208 sont additionnées par l'addition- 69 32236 s 2028323 rieur 209 qui forme le signal du type FOI1. La sortie de l'additionneur 209 forme l'entrée de l'échantillonneur et du convertisseur analogique digital 211. L'échantillonneur et le convertisseur analogique digital 211 produisent un train de données digitales qui forment l'entrée de l'analyseur de Fourier di-5 gital en temps réel (connu dans la technique sous les symboles RTDFA), 213. Dans la réalisation préférée, le RTDFA 213 est un ordinateur à but spécial composé d'un pré-traiteur 219 et d'un transformateur de Fourier 217. Mais il peut aussi être un ordinateur à but général programmé avec l'algorithme Cooley Tukey ou tout autre dispositif convenable. 10 En général, si la transformation finie de Fourier d'un segment 0 d'un signal de bande de base f(t) est traité, la fonction résultante sera complexe. Afin d'engendrer un signal réel pour la transmission sur le canal, on doit réaliser un traitement sur f(t) pour le convertir en un signal qui a une transformée de Fourier réelle. 11 est bien connu d'une fonction complexe dans 15 la partie réelle est pair et dont la partie imaginaire est impair a une transformée de Fourier réelle. On peut traiter f(t) pour produire une telle fonction. Le pré-traiteur 213 agit sur le signal de bande de base f(t) pour obtenir un tel résultat. On décrit mieux le pré-traiteur 213 avec les figures 3 et 4. La sortie du traiteur 215 forme l'entrée du transformateur de Fourier 20 217. La sortie du RTDFA 213 forme l'entrée d'un convertisseur digital analogique 219. Le convertisseur digital analogique convertit la transformée de Fourier du signal f(t) d'une représentation digitale à une représentation analogique. La sortie du convertisseur digital analogique 219 forme l'entrée à 25 l'antenne 221. Si nécessaire, l'antenne 221 représente tout le matériel nécessaire pour .transmettre le signal sur le système de communication désirée. Cela signifie, si nécessaire associer la sortie du convertisseur digital analogique 219 avec un signal de fréquence radio, ce qui serait bien dans le domaine de 1'art. 30 De même, un homme de l'art reconnaîtrait qu'à la place du RTDFA 213 on pourrait substituer un ordinateur digital à but général programmé pour réaliser les mêmes fonctions que celles accomplies par le pré-traiteur à calculateur spécial 215 et le transformateur de Fourier 217. De plus, un homme de l'art reconnaîtrait que si l'on remplaçait le RTDFA 213 par un ordinateur ana-35 logique, l'échantillonneur et le convertisseur A-D 211 et le convertisseur digital analogique 219 pourraient être supprimés. Au récepteur, l'onde reçue transformée par la fonction de transfert du canal de communication est reçue par l'antenne 231. Le signal reçu forme l'entrée à l'échantillonneur et au convertisseur analogique digital 233 où il est 40 échantillonné et converti sous forme digitale. La sortie de l'échantillonneur 69 32236 7 2028323 et du convertisseur A-D 233 forme l'entrée au RTDFA 235. La construction du RTDFA 235 est similaire à celle du RTDFA 213 en ce qu'il comprend un transformateur de Fourier 237 similaire en construction au transformateur de Fourier 217 et un post-traiteur 239 similaire en construction au pré-traiteur 215. 5 Comme un homme de l'art peur le voir, le post-traiteur 239 est juste l'inverse du pré-traiteur 215 et ne sera pas détaillé en plus de détails. Pour une description supplémentaire voir la description ci-dessous réalisée avec les figures 3 et 4. La sortie du RTDFA 235 forme l'entrée du convertisseur D-A et du filtre 10 241. La fonction filtre du convertisseur digital analogique et du filtre 241 agit d'une façon bien connue dèart pour réduire toute fréquence superflue et non nécessaire. La sortie du convertisseur D-A et du filtre 231 forme l'entrée du démodulateur FDM 243 qui consiste en plusieurs filtres passe-bande et leurs démodu-15 lateurs respectif. A la lumière de la description ci-dessus et de la théorie, le fonctionnement de la figure 2 est évident. □n représente dans la figure 3 la réalisation préférée du pré-traiteur 215 (et par implication le post-traiteur 239. voir ci-dessus]. Le pré-traiteur 20 213 fonctionne de la façon suivante. Supposons que f(t) soit échantillonné au taux Nyquist de 1/2 B, où B est la largeur de bande de f(t). Considérons que l'on obtient N échantillons à l'instant t par le convertisseur analogique digital échantillonneur 211. Ainsi, N » 2BT. Ces échantillons sont divisés en deux groupes contenant chacun N/2 échantillons. On se réfère à ces deux 25 groupes comme f^(j) et f2(j), 0 f (k) - f„(k) 0 = f, (N-k) N/2 1 ~ ~ fo(kJ = -f2(k) 0 Autour du point k = N/2, fQtk) est une fonction paire, et fQCk3 est une fonction impaire. Par conséquent, f'(k) = f0(k) + jfQ(k) Eq. 8 a N valeurs complexes et une transformée réelle. 35 L'entrée au pré-traiteur 215 provenant de l'échantillonneur et du conver tisseur analogique digital 211 est alimentée au commutateur 301, Le commutateur 301 alterne entre les entrées des registres 303 et 305 et l'entrée des registres 307 et 309. Cela signifie, les premier, troisième, cinquième, etc... bits digitaux sont emmagasinés dans les registres 303 et 305, et les second. 69 32236 8 2Ô28323 quatrième, sixième, etc.. sont emmagasinés dans les registres 307 et 309. On remarque que les contenus des registres 303 et 307 sont alimentés dans l'avant des registres, et les contenus des registres 305 et 309 sont alimentés à l'arrière des registres. Parqonséquent, lors de la lecture des registres 3Q3 ou 5 307, les sorties seront dans le mfime ordre que les données formant l'entrée au coninutateur 301. Cependant, la sortie des registres 305 et 309 présentera l'entrée de données au commutateur 301 dans l'ordre inverse. On amène la lecture des registres 303 et 307 par une impulsion de synchronisation 1 et les registres 305 et 309 par une impulsion de synchronisation 10 2. Ces impulsions de synchronisation sont engendrées par l'horloge 311. L'horloge 311 est synchronisée avec les sources de données binaires et un autre matériel, représenté dans la figure 2 par les moyens classiques. Afin de simplifier les dessins, on ne représente pas de telles connexions. Les sorties des registres 303 et 305 forment l'entrée du circuit OU 313; 15 et la sortie des registres 307 et 309 forme les entrées du circuit OU 315. Les sorties des circuits OU 313 et 315 forment l'entrée du transformateur de Fourier 217 (et par implication du convertisseur digital analogique et filtre 241J. Représentées dans la figure 4 se trouvent les entrées et les sorties des 20 circuits représentés dans la figure 3. Cela signifie, f(t) représente les entrées de données digitales au commutateur 301, f (k) représente la sortie de 8 OU 313, et fQ(k) représente la sortie de OU 315. En référence maintenant à l'entrée du cmmutateur 301, on voit que ftt) est fait d'une série de valeurs discrètes augmentant en amplitude. La premiè-25 re des valeurs discrètes est placée dans les registres de .décalage 303 et 305j la seconde, dans les registres de décalage 307, 309, la troisième dans les registres de décalage 303 et 305, etc.. Après que l'on ait complété la charge des registres de décalage une impulsion de synchronisation 1 se produit. Cela amène les deux registres de décalage 303 et 307 à décharger leur contenu for-30 mant ainsi les parties A à la fois fgtk) et fQ(k). A l'impulsion de synchronisation 2 les registres de décalage 305 et 309 déchargent leur contenu formant ainsi la partie B de f (k) et f (k). Ainsi, les sorties de 313 et 315 sont e o f (k) et f (k). On peut voir que ces deux courbes correspondent avec l'équa-e o tion 7 ci-dessus. 35 Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les des sins, les caractéristiques principales de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 69 32236 9 2028323 REVENDICATIONS 1.- Système de communication localisant dans la temps les erreurs dues au fading sélectif en fréquences, caractérisé en ce que les canaux de communication comprennnent: 5 - un transmetteur comprenant: . des premiers moyens de transformation de Fourier donnant la transformée de Fourier du signal de bande de base; . des moyens de transmission envoyant ladite transformée de Fourier sur le canal de communication; 10 - un récepteur comprenant: . les moyens de réception recevant ladite transformée de Fourier provenant du canal de communication; . des seconds moyens de transformation de Fourier recevant la sortie dudit moyen de réception et donnant la transformée inverse de ladite trans-15% formation de Fourier produisant le signal de bande de base original avec des erreurs localisées dans le temps. 2.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits premier et second moyens de transformation de Fourier sont des analyseurs de Fourier digitaux à temps réel. 20 3.- Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit premier analyseur de Fourier digital en temps réel comprend: - des moyens de prétraitement transformant l'entrée audit analyseur de Fourier digital en temps réel en une fonction complexe, dont la partie réelle est paire et la partie imaginaire est impaire; et 25 - un transformateur de Fourier donnant la transformée de Fourier de ladite fonction complexe au moyen de l'algorithme de Cooley-Tukey. 4.- Système de communication localisant les erreurs dans le temps des signaux envoyés à travers un canal à fading de fréquence sélectif caractérisé en ce qu'il comprend: 30 - un transmetteur comprenant: . des moyens de multiplexage en division de fréquence convertissant plusieurs sources de données binaires en une onde unique analogique: . des premiers moyens convertisseurs analogiques digital prenant la sortie dudit moyen de multiplexage en division de fréquence et produisant 35 une représentation digitale de son entrée; . un premier analyseur de Fourier digital en temps réel prenant la 69 32236 10 2028323 sortie dudit convertisseur analogique digital et produisant sa représentation en transformée de Fourier; et . un premier convertisseur digital analogique convertissant la sortie dudit analyseur de Fourier digital en temps réel en une onde analogique; 5 et . des moyens de transmission transmettant la sortie dudit convertisseur digital analogique sur un canal à fading de fréquence sélectionné; - un récepteur comprenant: . des moyens de réception recevant ladite onde analogique transmiss 10 par ledit moyen de transmission; . un second convertisseur analogique digital convertissant la sortie dudit récepteur en sa représentation digitale; . un second analyseur de Fourier digital en temps réel donnant la transformée inverse de la sortie dudit second convertisseur analogique digi-15 tal; . un second convertisseur digital analogique convertissant la sortie dudit analyseur de Fourier digital en temps réel en sa représentation analogique et . des moyens de démultiplexage en division de fréquence convertis-20 sant la sortie dudit second convertisseur digital analogique en plusieurs ondes représentatives de l'entrée audit transmetteur. 5.- Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de correction d'erreurs associés avec ledit moyen de multiplexage en division de fréquence afin de fournir la correction pour des erreurs grou- 25 pées. 6.- Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit premier analyseur de Fourier digital en temps réel comprend: - des moyens de pré-traitement transformant l'entrée audit analyseur de Fourier digital en temps réel en une fonction complexe, dans la partie réelle 30 est paire et la partie imaginaire est. impaire» et - un transformateur de Fourier prenant la transformée de Fourier de ladite fonction complexe au moyen de l'algorithme Cooley-Tukey.