Brevet FR2571566A1 — publié le 19860411

DISPOSITIF DE RECEPTION DE DONNEES-NUMERIQUES COMPORTANT UN DISPOSITIF DE RECUPERATION ADAPTATIVE DE RYTHME. L'invention concerne un dispositif de réception de données numériques qui s'adapte aux variations du canal d'un système de transmission, comprenant un étage adaptatif de réception, ayant un égaliseur adaptatif et au moins un échantillonneur, l'étage adap- tatif de réception délivrant, avec un certain cadencement, des échantillons complexes Yk à partir du signal d'entrée x(t), un organe de décision délivrant des symboles complexes détectés ak, et un disposi- tif de récupération adaptative de rythme qui détermine l'instant op- timal d'échantillonnage en minimisant une fonction quadratique J tra- duisant l'écart entre Yk et ako Les performances des systèmes de transmission numéri- que à grande vitesse, qui utilisent à la réception un égaliseur adap- tatif avec des prises de coefficient espacées d'une durée symbole pour compenser les distorsions linéaires du canal, dépendent fortement de l'instant d'échantillonnage. Un mauvais choix de celui-ci peut se tra- duire par un spectre nul près du bord de bande du spectre du signal échantillonné, auquel cas l'égalisation du canal devient difficile, Les égaliseurs adaptatifs utilisent typiquement le critère de l'erreur quadratique moyenne minimale pour s'adapter au canal. L'instant d'échantillonnage est choisi en sortie d'égaliseur en minimisant une fonction quadratique J qui, également et préféren- tiellement, peut être l'erreur quadratique moyenne. Une structure d'égaliseur adaptatif pour des systèmes de transmission à haut-débit a été décrite par H. KOBAYASHI dans "Simultaneous Adaptive Estimation and Decision Algorithm for Carrier Modulated Data Transmission Systems", IEEE Transactions on Communi- cation Technology, Vol. COM-19, n 3, pp. 268-280, June 1971. Cet auteur décrit une structure de récepteur, dans lequel les récupérations de rythme et de porteuse, ainsi que l'adap- tation de l'égaliseur numérique, sont effectués à l'aide d'un critère d'erreur quadratique moyenne minimale. Dans cette structure, le signal est tout d'abord démodulé puis échantillonné puis traité par l'égali- seur adaptatif. Mais pour effectuer la récupération de rythme assurant une phase optimale d'échantillonnage, dans la structure de récepteur donnée par H. KOBAYASHI, le signal d'entréex(t) est d'abord dérivé et est ensuite traité en parallèle avec la voie principale selon les mê- mes principes, par un autre échantillonneur et un autre égaliseur adap- tatif ayant des caractéristiques identiques à celles de l'égaiiseur adaptatif principal. Un dispositif de corrélation est ensuite placé en sortie de la boucle de récupération de rythme pour minimiser la fonction d'erreur quadratique moyenne choisie et intervenir sur la phase de l'instant d'échantillonnage. Dans une situation concrète cette structure s'avère difficile à mettre-en oeuvre car elle se traduit en fait par un dou- blement de la complexité du récepteur. Le but de l'invention est ainsi d'effectuer la récupé- ration du rythme sans doubler la complexité du circuit, en n'effec- tuant pas le calcul puis le traitement du signal de dérivée de x(t). Pour cela, l'invention telle que définie dans le préam- bule est remarquable en ce que le dispositif adaptatif de réception comporte un dispositif de récupération adaptative de rythme qui comprend: - un oscillateur délivrant une horloge primaire, - des moyens de mise en forme de l'horloge primaire selon une horloge secondaire dont la période vaut deux fois celle de l'horloge pri- maire, et dont les fronts de montée successifs sont espacés dans le temps de T et T2, ladite horloge secondaire fournissant alterna- tivement deux instants d'échantillonnage T et T+AT, o T est l'ins- tant d'échantillonnage de l'horloge primaire et AT est une constante, des moyens de calcul approché de la fonction quadratique J et du signe de ses variations entre les instants T et T+MT, - et des moyens de correction de la phase de l'horloge primaire selon le signe des variations de la fonction quadratique 3. Les dispositifs de réception des systèmes de transmis- sion de données comportent un démodulateur fournissant un signal en bande de base x(t). Ce signal après avoir été traité dans un étage de réception par un échantillonneur et un égaliseur adaptatif fournit des échantillons Yk' qui dans le cas général sont complexes. Ces échantil- lons Yk passent ensuite dans un organe de décision qui fournit des sym- boles détectés ak. Mais selon l'instant d'échantillonnage l'erreur com- mise en déterminant les symboles détectés ak peut être importante. Pour réduire cette erreur on choisit une fonction J traduisant l'écart entre les échantillons Yk et les symboles ak. On détermine le gradient de cette fonction Jpar rapport àl'instant d'échantillonnage T soit ai et on minimise ce gradient enintervenant sur l'instant d'échantillonnage. Une première fonction quadratique J est par exemple l'erreur quadratique moyenne (1) J = E tiek121 de l'erreur e k telle que ek = yk-ak o le symbole | représente le module et le symbole E {.} représente la valeur moyenne. Pour minimiser J on utilise une version stochastique de l'algorithme du gradient. Le gradient de J (2) G E {IlekI2 (2) g k -dûg n'est pas disposible, mais un estimateur non biaisé de celui-ci est (3) |Iek(tk+TL) I - lekl(Tkl)2 O3k A T o AT est un faible écart, et o Tk et Tk-l' tels que ITk-tkl " AT sont respectivement deux instants d'échantillonnage consécutifs de l'horloge primaire, déduit l'un de l'autre par l'asservissement décrit ci-après selon la relation (7). A partir de cet estimateur du gradient on construit la fonction continue g(t) définie par: (4) g(t) = Sgn(âk) si t FIkT, (k+l)T! o T est la durée symbole de la transmission et Sgn(.) désigne la fonction de signe. En fait, la fonction Sgn(.) a été introduite pour simplifier la réalisation, mais ne constitue aucune limitation à l'in- vention. Le signal g(t) après filtrage passe-bas, commande un oscilla- teur délivrant l'horloge primaire. La sortie du filtre passe-bas est c(t) = f(t)*g(t) o f(t) désigne la réponse impulsionnelle du filtre, et l'astérisque dési- gne l'opération de convolution. Dans le cas sans filtrage l'équation se réduit à: e(t) = g(t). 71566 En pratique, on utilise un filtre passe-bas afin d'avoir un meilleur compromis entre les performances pendant la pé- riode d'acquisition et à l'état permanent. Ce filtre, appelé filtre de boucle, fait partie du genre classique de filtres utilisés dans les boucles à verrouillage de phase qui sont connus de l'homme de l'art. - Le signal ú(t) commande l'oscillateur délivrant l'hor- loge primaire, dont la phase +(t) varie selon la relation: (5) "(t) = -K. s(t) o K est le gain de l'oscillateur. La variation de phase pendant la k ième durée symbole de l'horloge primaire délivrée par cet oscillateur va être: (6) k = -K ú(k+l)T e(t).dt kT Ainsi les deux instants successifs Tk+l et Tk sont liés par la rela- tion: (7) tk+l = Tk - K ú(k+l)T s(t).dt k+=k kT Une seconde fonction quadratique J est par exemple: (8) J = E {fk2} o fk lYk' - lakil avec les mêmes notations que précédemment. De la même façon que pour la relation (3) on obtient la relation f2(T+T) f tkl f(-kAr _ f2_l(Tl (9) k kOk = AT La relation (7) reliant entre eux les instants succes- sifs Tk+1 et Tk peut être utilisée en remplaçant dans la relation (4) le terme 9k par la relation (9). Selon l'invention on effectue l'opération d'échantil- lonnage avec deux instants d'échantillonnage successifs, ce qui a pour but de faire apparaître un écart constant, tk + AT - Tk_1 = AT, dans les acquisitions successives des échantillons. Ainsi aux instants Tk-1 A et Tk+AT apparaissent les erreurs successives ek_ etek selon la pre- kA selon la pe- mière fonction quadratique, ou fk-1 et fk selon la seconde fonction quadratique, permettant de déterminer les instants d'échantillonnage consécutifs à l'aide de la relation (7) et respectivement des rela- tions (3) ou (9). Ceci s'effectue en corrigeant la phase de l'horloge primaire par un signal dépendant du signe des expressions des rela- tions (3) ou (9). L'horloge primaire ainsi corrigée est ensuite mise en forme pour fournir l'horloge secondaire qui agit sur le fonctionne- ment de l'échantillonneuro Selon un premier mode de réalisation le dispositif adaptatif de réception comprend, entre autres, des moyens délivrant l'horloge secondaire qui agit sur un échantillonneur, suivi d'un éga- liseur adaptatif numériqueo Selon un second mode de réalisation le dispositif adaptatif de réception comprend, entre autres, des moyens délivrant l'horloge secondaire qui agit sur un échantillonneur précédé d'un égaliseur adaptatif analogique. Selon un troisième mode de réalisation le dispositif adaptatif de réception comprend, entre autres, des moyens délivrant l'horloge secondaire, qui dans ce cas se dédouble en deux horloges décalées dans le temps, qui agit sur deux échantillonneurs précédés d'un égaliseur adaptatif analogique. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes qui représentent: figure 1: un schéma d'un dispositif adaptatif de réception selon l'invention5 figure 2 un diagramme des séquences d'horloges; figure 3 un schéma pour la génération de l'horloge secondaire; figure 4 un schéma de réalisation des moyens de cor- rection de la phase de l'horloge primaire; figure 5: un schéma de réalisation des moyens de dé- termination du signe des variations de la fonction quadratique J, lorsqu'on ne prend en compte que la partie réelle e'k de ek, et lors- que les parties réelles sont positives pour deux instants consécutifs; figure 6: un schéma de réalisation de l'étage adapta- tif de réception dans le cas d'un égaliseur adaptatif numérique; figure 7: un schéma de réalisation de l'étage adapta- 71566 tif de réception dans le cas d'un égaliseur adaptatif analogique. figure 8: un schéma du dispositif adaptatif de récep- tion dans le cas d'un égaliseur adaptatif analogique, o l'horloge secondaire est dédoublée en deux horloges décalées dans le temps. La figure 1 représente un dispositif adaptatif de récep- tion selon l'invention dans un mode préférentiel de réalisation corres- pondant au cas d'un traitement numérique. Le signal en bande de base x(t), qui peut être complexe, entre dans l'étage adaptatif de réception 11 suivi d'un organe de décision 14. Un dispositif de récupération adap- tative de rythme 12 détermine, à partir des échantillons Yk et des sym- boles détectés ak, le rythme de fonctionnement de l'étage adaptatif de réception 11. Dans ce mode préférentiel l'étage adaptatif de réception 1l est constitué, selon la figure 6, d'un échantillonneur 111, qui est alors un convertisseur analogique-numérique, suivi d'un égaliseur adap- tatif numérique 112. L'étage adaptatif de réception 11 (figure 1) déli- vre des échantillons Yk qui peuvent être complexes. Ceux-ci grâce à l'organe de décision 14, fournissent les symboles détectés ak. L'opéra- tion de décision conduit à l'apparition d'erreurs entre les séquences des échantillons Yk et les séquences de symboles détectés ak. On déter- mine alors l'écart entre les séquences Yk et les séquences ak et on calcule une fonction quadratique J de cet écart dont on détermine le signe de ses variations successives. Les moyens de calcul 13 reçoivent les séquences Yk et ak et déterminent la fonction J dans le premier moyen de calcul 131 puis le signe des variations de la fonction J dans le second moyen de calcul 132. Selon le signe de ces variations, des moyens de correction 123 délivrent un signal de correction qui agit sur l'oscillateur 122. Celui-ci délivre une horloge primaire, sur la con- nexion 124, à l'étage adaptatif de réception 11 ainsi qu'aux moyens de mise en forme 121 qui donnent l'horloge secondaire. Sur la figure 2 sont représentées les séquences d'hor- loge indiquant un exemple de mécanisme de formation de l'horloge se- condaire à partir de l'horloge primaire. Sur la figure 3 est donné un exemple de schéma réalisant cette formation des horloges. L'horloge primaire (connexion 124, horloge Hi) est retardée dans l'élément de retard 62 pour donner l'horloge H2 en sortie 66. Le dispositif de sé- lection 63 élimine alternativement une période sur deux de chacune des horloges pour donner sur les sorties 67 et 68 respectivement les horloges H3 et H4. Celles-ci sont alors combinées pour fournir l'hor- loge secondaire (horloge H5, connexion 125) dont la période vaut deux foix celle de l'horloge primaire et dont les fronts de montée succes- sifs sont espacés dans le temps de T1 et T2, ladite horloge secondaire fournissant deux instants d'échantillonnage T et T+AT. Ceci revient à dire que par rapport à la période régulière T de l'horloge primaire (horloge Hl), la période T1 est plus longue de AT, et que la période T2 est plus courte de la même valeur. Dans le cas o la fonction quadratique J est définie par les relations (1) ou (8), les moyens de calcul 13 sont constitués d'une mémoire statique, stockant les valeurs préalablement calculées du signe des variations de la fonction quadratique J pour tous les couples de valeurs complexes prévisibles Yk et ak, mémoire qui est lue en l'adressant avec les valeurs complexes de Yk et de ak détermi- nées. Mais dans le cas o la fonction J est définie par la relation (1) il est également possible que le premier moyen de calcul 131 soit formé d'un soustracteur effectuant le calcul de ek = Yk.- ak et d'un dispositif d'élévation au carré par exemple un multiplieur. On peut également ne prendre pour la fonction J, lorsqu'elle est posi- tive, que la partie réelle de ek que l'on appelle e'k. Dans ce second cas le signe des variations de la fonction J est déterminé dans le second moyen de calcul 132. Celui-ci est par exemple celui représenté sur la figure 5. Pour cela l'information issue du premier moyen de calcul 131 entre dans un élément retardateur 50 et dans une entrée d'un comparateur 51. L'autre entrée du comparateur 51 reçoit, en voie directe, la sortie du'premier moyen de calcul 131. Ainsi sur les en- trées du comparateur 51 arrivent simultanément l'information e'k-1 retardée et l'information suivante e'k non retardée. Le comparateur dispose-de deux sorties qui passent respectivement à l'état actif lorsque e' k-1 ek. Les états actif ou non-actif de ces sorties sont stockés dans deux éléments mémoire validés par l'hor- loge H6 obtenue enne validant les fronts de montée de l'horloge H3 que lorsque les signes respectifs de e'k et e'k sont tous deux posi- tifs. Ceci s'effectue dans l'élément de validation 57. Les sorties 54 et 55 de ces éléments mémoire agissent sur les moyens de correc- tion 123 de 1'horloge primaire. Ceux-ci tels qu'indiqués sur la figure 4, sont par exemple constitués d'un amplificateur opérationnel 60 suivi d'un filtre passe-bas 61. L'amplificateur opérationnel 60 est par exemple le modèle LF 356 de la Société SIGNETICS. Les caracté- ristiques du filtre passe-bas 61 sont déterminées de façon à définir la plage d'accrochage et à limiter le bruit de phase de l'oscilla- teur. La correction agit sur l'oscillateur 122 qui est par exemple l'oscillateur no MC 1648 de la société MOTOROLA qui délivre sur sa sortie 1241'horloge primaire Hl, ayant une fréquence par exemple de MHz. Selon un second mode de réalisation l'étage adaptatif de réception 11 est constitué selon la figure 7 d'un égaliseur adap- tatif analogique 115 suivi d'un échantillonneur 111. Selon un troisième mode de réalisation tel que repré- senté sur la figure 8, l'étage adaptatif de réception 11 est consti- tué d'un égaliseur adaptatif analogique 115 suivi sur une voie d'un premier échantillonneur 116 et sur une autre voie d'un second échan- tillonneur 113. Tous les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont indiqués avec les mêmes références. Les moyens de mise en forme 121 de l'horloge primaire se réduisent dans ce cas à l'élément retar- dateur 62 de la figure 3. Les horloges d'échantillonnage sont alors les horloges Hl et H2 représentées sur la figure 2 qui apparaissent sur les connexions 124 et 66 de la figure 3. Ces horloges d'échantil- lonnage agissent chacune respectivement sur les échantillonneurs 113 et 116. Tous les autres mécanismes de fonctionnement sont semblables à ceux décrits dans le cas du premier mode de réalisation. L'erreur e k (respectivement er) est l'écart entre l'échantillon en sortie k k de l'échantillonneur 113 (respectivement 116) et le symbole décidé à l'instant k. REVENDICATIONS: 1. Dispositif de réception de données numériques qui s'adapte aux variations du canal d'un système de transmission, compre- nant un étage adaptatif de réception, ayant un égaliseur adaptatif et au moins un échantillonneur, l'étage adaptatif de réception délivrant, avec un certain cadencement, des échantillons complexes Yk à partir du signal d'entrée x(t), un organe de décision délivrant des symboles complexes détectés ak, et un dispositif de récupération adaptative de rythme qui détermine l'instant optimal d'échantillonnage en minimisant une fonction quadratique J traduisant l'écart entre Yk et ak, caracté- risé en ce que le dispositif de récupération adaptative de rythme com- prend: - un oscillateur délivrant une horloge primaire, - des moyens de mise en forme de l'horloge primaire selon une horloge secondaire dont la période vaut deux fois celle de l'horloge pri- maire, et dont les fronts de montée successifs sont espacés dans le temps de T1 et T2, ladite horloge secondaire fournissant alternative- ment deux instants d'échantillonnage T et T+AT o T est l'instant d'échantillonnage de l'horloge primaireet AT est une constante, - des moyens de calcul approché de la fonction quadratique J et du signe de ses variations entre les instants T et T AT _ et desmoyens de correction de la phase de l'horloge primaire selon le signe des variations de la fonction quadratique J. 2. Dispositif adaptatif de réception selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les moyens de calcul de la fonction quadratique J et du signe de ses variations sont constitués d'une mémoire statique, stockant les valeurs préalablement calculées du signe des variations de la fonction quadratique J pour tous les cou- ples de valeurs complexes prévisibles Yk et ak, mémoire qui est lue en l'adressant avec les valeurs complexes de Yk et de ak déterminées. 3. Dispositif adaptatif de réception selon la revendica- tion 1, dans le cas o la fonction quadratique J est la valeur qua- dratique moyenne J = E {lek12} de l'erreur ek = yk-ak, o leki dési- gne le module de ek et le symbole E{.}indique la valeur moyenne, et dans le cas o les variations de J sont déterminées à partir de la partie réelle de ek et uniquement aux instants o la partie réelle est positive à deux instants successifs, caractérisé en ce que les moyens de calcul de la fonction quadratique J et du signe de ses variations sont constitués: d'un soustracteur recevant sur ses entrées les échantillons com- plexes Yk et les symboles détectés ak et donnant en sortie ek = yk-ak, - un élément retardateur de la partie réelle e'k de l'erreur ek de la valeur d'une période de l'horloge primaire, - un comparateur recevant simultanément les erreurs e'kt de la voie retardée et les erreurs e' de la voie directe, et deux élé- k ments mémoire stockant le résultat de la comparaison entre e'kl et e'k sous le contrôle d'un élément de validation, - un élément de validation qui valide l'horloge H3 lorsque les va- leurs de e'k et de e' sont toutes deux positives. 4. Dispositif adaptatif de réception selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'horloge secondaire agit sur un échantillonneur, constitué d'un convertisseur analogi- que-numérique qui est suivi d'un égaliseur adaptatif numérique. 5. Dispositif adaptatif de réception selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'horloge secondaire agit sur un échantillonneur précédé d'un égaliseur adaptatif ana- logique. 6. Dispositif adaptatif de réception selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'horloge secondaire se dédouble en deux horloges décalées dans le temps et agit sur deux échantillonneurs précédés d'un égaliseur adaptatif analogique.