Brevet FR2608867A1 — publié le 19880624

Procédé et dispositif de transmissions numériques de signaux vocaux par voie radio La présente invention concerne un procédé et un disposi- tif de transmissions numériques de signaux vocaux par voie radio. Les transmissions classiques de phonie sur voie radio s'effectuent généralement par modulation de fréquence (ou modulation de phase) analogique, à faible indice. Cependant, le problème du chiffrement à haute sécurité de la parole analogique n'a, à l'heure actuelle, pas trouvé de solution satisfaisante qui permet des transmissions en phonie sans perte d'information. Seuls les procédés de numérisation de la parole permettent d'effectuer un chiffrement de parole de haute qualité mais ceci implique la mise en oeuvre de transmissions radio de type numérique qui ont l'inconvénient d'élargir le spectre du signal, de réduire corrélativement la protection entre canaux et d'imposer l'utilisation d'une modulation à spectre le plus étroit possible. D'autre part,la portée des émetteurs est diminuée lorsque le débit de la parole numérisée devient important de l'ordre par exemple de 10 kilobits par seconde, et on assiste à une dégradation sensible des performances par rapport à une solution entièrement analogique non chiffrée, en présence de fading, lorsque notamment les liaisons se font entre émetteur et récepteur en mouvement. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de transmission numérique de signaux vocaux par voie radio dans lequel la parole est segmentée à l'émission en trames de durée fixe et transmises indépendamment les unes des autres et est reconstituée à la réception par un filtre de synthèse caractéri- sé en ce que chaque trame comporte un premier champ composé de mots binaires de structures identiques pour coder la position et l'amplitude des impulsions d'excitation du filtre de syn- thèse, un deuxième champ pour coder l'amplitude de l'impulsion de référence associée à la trame, et un troisième champ pour coder les coefficients du filtre de synthèse, seuls les codes représentant l'amplitude de référence et les coefficients du filtre de synthèse composant les deuxième et troisième champs étant accompagnés de codes autocorrecteurs d'erreurs. L'invention a principalement pour avantage qu'elle permet une augmentation sensible de la probabilité de l!erreur maximale acceptable sur les paramètres peu sensibles des signaux à trans- mettre alors que la probabilité d'erreur sur les parties criti- ques des signaux à transmettre est notablement plus faible. Elle permet également d'augmenter sensiblement la portée géographique des transmissions par rapport aux transmissions o le facteur limitatif est constitué par le taux d'erreur sur les champs sensibles de chaque trame transmise. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description faite en regard des dessins annexés qui représentent: - la figure 1 un tableau représentatif d'un plan de modulation à quatre états utilisés pour la transmission des signaux numériques de parole selon l'invention; - la figure 2 un mode de réalisation d'un modulateur selon l'invention; - la figure 3 un mode de réalisation d'un démodulateur selon l'invention. Selon l'invention, la parole est segmentée en trames numériques de durée fixe, par exemple 25 millisecondes, transmises indépendamment les unes des autres. Chaque trame est partagée en plusieurs champs dont les sensibilités respectives aux erreurs de transmission sont différentes, les champs les plus sensibles ne représentant qu'une part modérée du nombre total de bits véhiculés par une trame. Le procédé consiste à transmettre à faible taux d'erreur les paramètres critiques de la trame en les accompagnant de codes autocorrecteurs d'erreurs pour détecter et corriger en réception les erreurs, à transmettre sans précaution particulière, autre qu'une simple détection d'erreurs (bit de parité), les paramètres non critiques, et à utiliser une stratégie de lutte contre les erreurs de transmission adaptée à la fois à la structure des erreurs (paquets d'erreurs arrivant à intervalles assez réguliers) et aux caractéristiques physiques de l'oreille des opérateurs écoutant les messages de parole reconstitués à la réception. La parole synthétisée est obtenue à la réception à la sortie d'un filtre numérique dit filtre prédicteur ou filtre de synthèse dont l'entrée est excitée par les impulsions de la trame numérique décrite précédemment. Pour obtenir un fonctionnement correct du filtre de synthèse, la trame numérique est partagée en trois champs. Le premier champ est composé de mots binaires de structures identiques qui sont destinés à coder à la fois la position xi et l'amplitude yi des impulsions d'excitation du filtre de synthèse. Ce champ représente la partie non sensible de la trame, et les mots qui le constituent peuvent supporter un taux d'erreur relativement élevé sans que cela nuise trop à l'intelligibilité du signal de parole restitué. Le deuxième champ représente l'amplitude de référence associée à la trame, celle-ci étant constituée par exemple par l'amplitude de la plus grande impulsion du signal d'excitation. Ce champ est sensible aux erreurs et son altération peut se traduire par des fluctuations importantes du niveau de la parole synthétisée qui peuvent nuire à la compréhension. Le troisième champ comporte un nombre déterminé de coefficients, par exemple 10, permettant de décrire le filtre de synthèse. Ceux-ci sont constitués par exemple par des coefficients dits "PARCOR" dont les valeurs restent comprises entre -1 et +1 pour permettre de garantir la stabilité du filtre de synthèse. Ce champ est lui aussi sensible aux erreurs car celles-ci peuvent changer la tonalité des sons restitués ou encore modifier la restitution des voyelles. La transmission de ces divers champs est réalisée sur vole radio en modulation de fréquence de la manière suivante. Pour le premier champ, chaque mot est complété par un bit de parité. Les bits résultants sont regroupés par paires encore appelés dibits ou symboles (4-aires) puis ils sont transmis en utilisant une modulation de fréquence à quatre états, à transition progressive entre les états successifs, tel que représenté par le tableau de la figure 1. Dans ce tableau les quatre états de la modulation représentés sont associés à quatre fréquences définies de la façon suivante. Pour un dibit (0,0) le modulateur transmet une fréquence F0 = FC-3 AF/2, o FC représente la fréquence centrale de transmission et AF une excursion en fréquence constante; Pour un dibit (0,1) le modulateur transmet la fréquence F1 = FC- a F/2; Pour un dibit (1,1) le modulateur transmet la fréquence F= FC F/2 -2 et pour un dibit (1,0) le modulateur transmet la fréquence F3 = FC + 3 A F/2. La correspondance entre les dibits et les fréquences émises est définie de façon qu'il n'y ait qu'un bit de différence entre les dibits associés à deux fréquences adjacentes ce qui rend minimal le taux d'erreur à la réception. A la réception, après démodulation et décision sur les dibits reçus, les mots et leurs bits de parité sont reconstitués. Un traitement des erreurs est effectué et si au plus un nombre réduit de K1 bits de parité sont incorrects, les impulsions à parité incorrecte ne sont pas prises en compte. On suppose à ce stade que le taux d'erreur est faible et qu'il est préférable d'effacer des impulsions perturbées qui sont dans ces conditions assimilées à du bruit. Si le nombre de bits de parité incorrecte est compris entre les nombres K1 + 1 et K2, toutes les impulsions y compris celles dont la parité est correcte sont prises en compte. Dans ce cas, on considère que même si la parole synthétisée est fortement bruitée elle est cependant plus compréhensible que si les impulsions perturbées étaient effacées. Enfin, si le nombre de bits à parité incorrecte est com- pris entre les nombres K2 + 1 et K, o K est le nombre total d'impulsions codées, le procédé ne prend pas en compte les impulsions de la trame courante et utilise comme jeu d'impulsions pour le filtre de synthèse le dernier jeu d'impulsions qui a été reconnu correct. Pour le deuxième champ qui transmet l'amplitude de référence du signal vocal, les bits sont complétés par des bits de redondance, code BCH par exemple, pour former un mot de code autocorrecteur d'une erreur et détecteurs de deux erreurs. Chacun des bits du mot ainsi formé est transformé en un dibit. Par exemple, un bit de valeur O est transformé en un dibit (0,O) pour émettre, selon le tableau de la figure 1, une fréquence F0 et un bit de valeur i est transformé en un dibit (1,0) pour émettre, toujours en se reportant au tableau de la figure 1, une fréquence F3. L'émission du deuxième champ s'effectue de la même façon que pour le champ 1. Toutefois, à la réception les fréquences F0 et F1 sont considérées comme équivalentes car elles correspondent à un bit 0 pour le champ considéré; il en est de même pour les fréquences F2 et F3 qui correspondent à un bit égal à 1. Cette façon de procéder permet de diminuer considérablement la probabilité d'erreur à la réception, puisque, la transformation d'un bit 1 en un bit 0, ou vice versa, revient à confondre les deux fréquences extrêmes utilisées, ce qui est, pour un rapport signal/bruit donné, beaucoup plus rare que l'éventualité qui consisterait A confondre deux fréquences adjacentes. Cependant elle réduit localement le débit transmis d'un facteur 2, puisqu'un symbole ne véhicule plus qu'un bit d'information comparé à deux dans le cas précédent. Autrement dit, si le débit du canal en symboles par seconde reste inchangé, son débit en bits par seconde décroît. La réduction du débit utile se traduit par un nombre d'impulslons légèrement inférieur à ce qu'il est dans le système de départ mais ceci a peu de répercussions sur la qualité de la parole synthétisée, en comparaison de l'amélioration apportée par la solution proposée. Au niveau de la réception trois cas peuvent se présenter suivant qu'aucune erreur n'est détectée, qu'une seule erreur est détectée ou qu'une configuration d'erreur non corrigée est détec- tée. Dans le premier cas, aucune action particulière n'est à entreprendre. Dans le deuxième cas, o une seule erreur est détectée, cette erreur est naturellement corrigée. Enfin dans le troisième cas qui correspond le plus souvent à celui o 11 y a au moins deux erreurs détectées, l'amplitude codée est déclarée non valide et est remplacée par la dernière amplitude reconnue valide affectée d'un coefficient multiplicateur inférieur à 1, car on peut considérer dans ce dernier cas que la trame est vraisemblablement perturbée et qu'il vaut mieux l'atténuer. Le troisième champ, qui contient les coefficients du filtre de synthèse, est constitué par un nombre de bits relativement élevé. A titre d'exemple ce champ peut comporter bits pour coder 10 coefficients. Le nombre de bits alloués à chacun des coefficients est fonction décroissante de son rang, et, pour un coefficient donné, l'effet d'une erreur sur un bit est fonction du poids du bit considéré. Comme il est difficile de protéger par des codes correcteurs simples des mots comportant un grand nombre de bits, le procédé selon l'invention consiste à transmettre les bits de poids faible des coefficients de la même façon que ceux du premier champ, avec deux bits par symbole, et à transmettre les bits de poids fort des coefficients en un seul mot complété par des bits de redondance de type BCH, par exemple, pour former un code correcteur d'une erreur et détecteur de deux erreurs dans ce mot. Ce mot est ensuite transmis suivant le même procédé que le deuxième champ de la trame à raison d'un bit par symbole. A la réception une stratégie analogue à celle utilisée pour le deuxième champ est mise en oeuvre: - si aucune erreur n'est détectée dans les bits de poids fort, les coefficients définis par les poids forts et les poids faibles du mot sont utilisés tels qu'ils sont reçus; - par contre si une erreur est détectée, ladite erreur est corrigée et les bits de poids forts corrigés ainsi que les bits de poids faibles sont utilisés pour appliquer les coeffi- cients sur le filtre de synthèse; - enfin si une configuration d'erreur est telle que le troisième champ n'est pas corrigible l'ensemble des coefficients transmis par le troisième champ est déclaré non valide et le procédé désigne alors le paquet de coefficients reçu précédemment reconnu comme valide qui peut être utilisé. Dans ce cas, on fait naturellement l'hypothèse implicite que les variations de tonalité de la parole sont relativement lentes (ce qui est vrai en pratique) et que le remplacement d'un jeu de coefficients par le jeu relatif à la trame précédente n'est pas ou peu perceptible. Un dispositif de transmission faisant application du procédé de l'invention est représenté à la figure 2. Ce disposi- tif est excité par un microphone 1 et comprend un convertisseur analogique-numérique 2, un analyseur LPC 3, un circuit quantificateur 4 couplé dans cet ordre en série à l'entrée d'un synthétiseur de parole 5 représenté à l'intérieur d'une ligne en pointillés. Le synthétiseur de parole 5 comprend de façon connue, un filtre de synthèse 6 (composé éventuellement de façon connue par un filtre transversal non récursif), un circuit multiplieur 7 et un générateur d'impulsions 8. La sortie du filtre de synthèse 6 est couplée à l'entrée "-" d'un circuit soustracteur 9 dont l'entrée "+" est reliée à la sortie du convertisseur analogique- numérique 2. Le dispositif de transmission comprend également un filtre de pondération de bruit 10 (composé éventuellement de façon connue par un filtre transversal non récursif) couplé entre la sortie du circuit soustracteur 9 et une entrée d'un circuit de minimisation d'erreur pondérée 11, couplé d'une part, à une entrée du générateur d'impulsions 8 et d'autre part, aux entrées de deux circuits de quantification 12 et 13. Les circuits de quantification 12 et 13 sont reliés respectivement à un codeur de parité 14 et à un codeur de bits de redondance autocorrecteurs d'erreurs 15. Le dispositif de transmission comprend également un deuxième codeur de bits de redondance autocorrecteurs d'erreurs 16 couplé à la sortie du circuit quantificateur 4 et un multiplexeur 17. Le multiplexeur 17 transmet sur un canal 19 à travers un modulateur 18 à quatre états de fréquence les informations transmises respectivement par le codeur de parité 14, le codeur 15 et le codeur 16. Le fonctionnement du dispositif de transmission est le suivant: les signaux de parole transmis par le microphone 1 sont appliqués à l'entrée du convertisseur analogique-numérique 2 pour être transformés en échantillons numériques qui sont appliqués respectivement à l'entrée de l'analyseur de spectre 3 et à l'entrée marquée "+" du circuit soustracteur 9. L'analyseur 3 effectue de façon connue une analyse LPC (abréviation du terme anglo-saxon "linear productive coding") des signaux fournis par le convertisseur analogique-numérique 2 et les échantillons obtenus sont appliqués à l'entrée du quantificateur 4 qui applique les coefficients K1 sur les entrées des coefficients du filtre de synthèse 6. Les bits de poids les plus forts des coefficients Ki sont appliqués à l'entrée du circuit de correction d'erreurs 16 qui leur adjoint des bits de redondance et l'ensemble constitué par les bits de poids forts et des bits poids faibles auxquels sont adjoints des bits de redondance, est appliqué sur une première entrée du multiplexeur 17. Les mots de code Y représentant les impulsions d'excitation du filtre de synthèse, sont appliqués au filtre de synthèse 6 par l'intermédiaire du générateur d'impulsion 8. Les impulsions obtenues sont appliquées sur une première entrée d'opérande du circuit multiplieur 7. L'amplitude de l'impulsion de grandeur maximale est détectée de façon connue par le circuit de minimisation d'erreur pondérée 11 et est quantifiée par le circuit de quantification 13, avant d'être appliquée sur la deuxième entrée d'opérande du circuit multiplieur 7. Le résultat de la multiplication est appliqué à l'entrée du filtre de synthèse 6 qui fournit sur sa sortie un signal de parole synthétisé. Le signal de parole synthétique obtenu est appliqué sur l'entrée "-" du circuit soustracteur 9 pour être soustrait du signal de parole échantillonné fourni par le convertisseur analogique- numérique 2. Le résultat de la soustraction représente le bruit de quantification produit par la chaîne de synthèse et ce bruit est appliqué à l'entrée du filtre de pondération de bruit 10 pour être pondéré par les coefficients Ki fournis par le circuit quantificateur 4. Le bruit pondéré obtenu à la sortie du filtre 10 est appliqué au circuit de minimisation d'erreur pondéré 11 qui ajuste par la boucle d'asservissement ainsi formée l'amplitude Y. et la position X. J J des impulsions pour que l'erreur pondérée obtenue soit minimale. Les amplitudes Yi des impulsions et leurs positions Xi sont également appliqués au circuit quantificateur 12 et les mots binaires obtenus sont affectés chacun de façon connue d'un bit de parité par le codeur de parité 14 avant d'être appliqués sur une deuxième entrée du circuit multiplexeur 17. Le circuit de minimisation d'erreurs pondérées relève également de façon connue l'amplitude maximale des impulsions Yi obtenues qui représente la valeur du gain g appliqué à l'entrée du circuit quantificateur 13. Les mots binaires obtenus à la sortie du circuit quantificateur 13 sont appliqués d'une part à l'entrée du circuit multiplieur 7 et d'autre part, au codeur 15 qui adjoint de façon connue les bits de correction d'erreur de type BCH par exemple, pour former le deuxième champ décrit précédemment et le mot binaire obtenu est appliqué sur la troisième entrée du circuit multiplexeur 17. Le dispositif de réception est représenté à la figure 3 il comprend un démodulateur 20, un démultiplexeur 21, un détecteur d'erreurs 22, un premier détecteur correcteur d'erreurs 23 et un deuxième détecteur correcteur d'erreurs 24. Il comprend également, une logique microprogrammée de décision formée par un microprocesseur ou tout dispositif équivalent, un générateur de coefficients 26 et un générateur d'impulsions 27. Les deux générateurs 26 et 27 sont couplés à un synthétiseur de parole 28 représenté A l'intérieur d'une ligne en pointillés, formé par un filtre de synthèse 29, un circuit multiplieur 30 et un convertisseur numérique-analogique 31. La sortie du convertisseur numérique-analogique 31 est couplée à un transducteur de parole 32 du type haut-parleur ou tout dispositif équivalent capable de restituer la parole. Une mémoire 33 mémorise les échantillons fournis par les détecteurs 23 et 24. La lecture et l'écriture de la mémoire 33 est assurée de façon connue par un organe de commande 34. Le fonctionnement est le suivant: la trame constituée par les trois champs décrits précédemment est démodulée par le 2 0 démodulateur 20 et les bits alimentent le démultiplexeur 21. Le premier champ constitué par les échantillons de parole Xi Yi est appliqué au détecteur d'erreurs 22, le deuxième champ constitué par les coefficients Kt du filtre de synthèse est appliqué au détecteur correcteur d'erreurs 23 et le troisième champ qui fournit l'amplitude de référence est appliqué au détecteur correcteur d'erreurs 24. Les échantillons X et Yi sont appliqués au générateur d'impulsions 27 sous contrôle de la logique de décision 25 microprogrammée qui agit selon le procédé décrit précédemment. Si au plus K1 bits de parité testés par le détecteur d'erreurs 22 sont incorrects les impulsions à parité incorrecte ne sont pas transmises. SI le nombre de parités incorrectes est compris entre les nombres K1 + 1 et K2, toutes les impulsions y compris celles dont la parité est incorrecte sont transmises à l'entrée du générateur d'impulsions 27, car même si la parole synthétisée dans ce cas est fortement bruitée 1I elle est cependant plus compréhensible que si les impulsions perturbées étaient effacées. Enfin si le nombre de bits de parité incorrecte est compris entre deux valeurs K2 + i et K o K est le nombre total d'impulsions codées les impulsions de la trame courante sont considérées comme non valables et le générateur d'impulsions 27 va chercher dans la mémoire 33 les impulsions de la trame précédente. Le générateur de coefficients 26 réagit en fonction des résultats fournis par le détecteur correcteur d'erreurs 23. Si aucune erreur n'est détectée dans les bits de poids forts les coefficients sont utilisés tels quels et sont transmis à l'entrée du filtre de synthèse 29. Si une erreur est détectée celle-ci est corrigée et les bits de poids forts corrigés sont utilisés avec les bits de poids faibles tels quels, l'ensemble étant transmis comme précédemment au filtre de synthèse 29. Par contre, si une configuration d'erreur non corrigible est détectée, le détecteur d'erreurs 23 déclare le paquet de coefficients non valide et va chercher le dernier paquet de coefficients reconnus valides qui est mémorisé dans la mémoire 33. Enfin le détecteur correcteur d'erreurs 24 2 0 transmet l'amplitude de référence au multiplieur 30 toutes les fois qu'aucune erreur n'est détectée ou après correction d'une seule erreur. Comme précédemment, si une configuration d'erreurs non corrigible est détectée, l'amplitude codée est déclarée non valide et remplacée par la dernière amplitude reconnue valide trouvée dans la mémoire 33, apres multiplication par un facteur inférieur ou égal à 1. REVENDICATIONS 1. Procédé de transmission numérique de signaux vocaux par vole radio dans lequel la parole est segmentée à l'émission en trames de durée fixe et transmises indépendamment les unes des autres et est reconstituée à la réception par un filtre de synthèse (29), caractérisé en ce que chaque trame comporte un premier champ composé de mots binaires de structures identiques pour coder la position et l'amplitude des impulsions d'excitation du filtre de synthèse, un deuxième champ composé d'au moins un mot binaire pour coder l'amplitude de l'impulsion de référence associée à la trame et un troisième champ composé de mots binaires pour coder les coefficients du filtre de synthèse, seuls les codes représentant l'amplitude de référence et les coefficients du filtre de synthèse composant les deuxième et troisième champ étant accompagnés de codes autocorrecteurs d'erreurs (15, 16). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque mot binaire composant le premier champ est complété par un bit de parité (14). 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les impulsions incorrectes de position et d'amplitude d'une trame reçue ne sont pas prises en compte si au plus un nombre déterminé K1 de bits de parité sont trouvés incorrects. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que toutes les impulsions codées d'une trame reçue sont prises en compte si le nombre de bits de parité incorrects est compris entre deux nombres détermines K1 + 1 et K2. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la position et l'amplitude des impulsions reçues d'une trame ne sont pas prises en compte et sont remplacées par les impulsions d'une trame précédente lorsque le nombre de bits à parité incorrecte est compris entre deux nombres déterminés K2 + 1 et K, K étant le nombre total d'impulsions codées. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications i à , caractérisé en ce que les bits des mots de code du premier champ sont regroupés par paires ou dibits, auxquelles sont associées respectivement quatre fréquences de modulation différentes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bits des deuxième et troisième champs sont transmis en utilisant les deux fréquences de modulation dont l'écart de fréquence est parmi les quatre fréquences le plus grand. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque trame a une durée de 25 millisecondes. 9. Dispositif de transmission et de réception numériques de signaux vocaux par voie radio pour l'application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de transmission comprend un convertisseur analogiquenumérique (2), pour convertir les signaux vocaux en signaux numériques, un filtre de synthèse (6) couplé d'une part, à la sortie du convertisseur analogique-numérique (2) à travers un circuit de quantification des coefficients du filtre de synthèse, et d'autre part, à un circuit (11) de minimisation d'erreur pondéré pour, appliquer des valeurs d'échantillons à l'entrée du filtre de synthèse en fonction des écarts entre les signaux fournis par la sortie du filtre de synthèse et ceux fournis à la sortie du convertisseur analogique-numérique (2) et détecter la valeur de l'échantillon de référence, ainsi qu'un circuit multiplexeur (17) couplé au circuit convertisseur analogique-numérique (2) et au circuit de minimisation d'erreur pondéré (11) par l'intermédiaire de circuits quantificateurs (3, 13, 14) pour transmettre au moyen d'un modulateur (19) les premier, deuxième et troisième champs de chaque trame de parole numérisée. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit multiplexeur (17) est couplé aux circuits quantificateurs des échantillons des deuxième et troisième champs au travers de codeurs de bits de redondance autocorrecteurs d'erreurs. 11. Dispositif selon les revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le dispositif de réception comprend un démodulateur (20) couplé à un synthétiseur de parole (28) au travers des moyens de rangement (21) et de circuits correcteurs d'erreurs (23, 24) des champs de chacune des trames reçues, ainsi qu'une mémoire (33) pour mémoriser chaque champ reçu.