Brevet FR2601210A1 — publié le 19880108

Procédé et installation de communications numériaues Pour des mobiles L'invention concerne la diffusion de données sous forme numérique en milieu perturbé par des parasites et/ou par l'existence de trajets multiples. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la radiodiffusion sonore numérique vers des mobiles. Les difficultés principales rencontrées dans la diffusion vers des mobiles - ou la communication de mobiles entre eux - proviennent de phénomènes perturbateurs, dont les caractéristiques (fréquence, amplitude, durée, ...) varient beaucoup suivant leur origine, la bande de fréquence utilisée et l'emplacement du mobile récepteur dans la zone de réception. On connait déjà de nombreux procédés destinés à limiter les perturbations apportées à la réception - Répétition des informations diffusées, avec détection et correction éventuelle des erreurs à l'arrivée, qui permet de limiter l'effet d'un bruit impulsif, même à large bande - Codage des données à l'aide d'un code convolutif, assurant une redondance qui permet un accroissement de la distance entre signaux émis, donc une réduction du nombre d'erreurs à laréception - Accroissement de la durée de chacun des symboles transmis, qui a un effet favorable vis-à-vis de toutes les perturbations mais qui limite le débit maximum. - Diffusion dite hà saut de fréquence", consistant à émettre les symboles successifs en alternance sur plusieurs fréquences, dont une seule est utilisée à la fois, ce qui réduit l'incidence des échos et des brouilleurs récurrents, du fait qu'ils ne jouent que sur un domaine de fréquence limité, s'ils peuvent être permanents - L'entrelacement des informations, qui diminue l'incidence des perturbations de durée limitée. Aucune de ces solutions ne donne un résulat pleinement satisfaisant dans un site de réception affecté de perturbations de natures diverses, correspondant à des portions différentes de l'espace temps-fréquence. C'est le cas notamment de la diffusion en milieu urbain, où l'on trouve de nombreux échos et des perturbations radio-électriques d'origine domestique ou industrielle. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de diffusion de données vers des mobiles répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'ils améliorent considérablement la fiabilité de réception en présence de trajets multiples et diminuent l'incidence des parasites. L'invention utilise, pour ce faire, les connaissances générales exposées plus haut mais, d'une part, elle les combine de façon nouvelle et, d'autre part, elle les complète pour arriver à une fiabilité qui s'est révélée sans eommune mesure avec celles qu'on obtient si on omet un élément de la combinaison. Un procédé suivant l'invention de diffusion de données provenant d'une source comprend la mise des données sous forme d'échantillons numériques, le codage des bits à l'aide d'un code redondant conduisant à des symboles de modulation A (fi, tj), l'émission desdits symboles en les répartissant en parallèle dans l'espace fréquence temps t avec entrelacement temporel et émission simultanée sur n fréquences ou voies de diffusion (n étant supérieur à 1). En mettant en oeuvre ce procédé, deux éléments A successifs ne sont jamais émis à des instants successifs à la même fréquence. La répartition suivant l'invention est totalement différente d'une diffusion de type diversité ou saut de fréquence car à un instant donné il y a diffusion de n éléments et non pas d'un seul. Grâce à ce mode de répartition, on peut multiplier la durée de chaque élément transmis par n pour un débit donné, ce qui améliore la fiabilité de réception par réduction des phénomènes sélectifs. L'indépendance vis-à-vis de la voie entre symboles successifs présentés au décodeur qui effectue une décision suivant le maximum de vraisemblance a posteriori est un aspect essentiel des bonnes performances du système. Cette indépendance est obtenue grâce au double entrelacement (en fréquence et en temps) associé à ce codage. La reconstitution du message à l'arrivée se fait en mémorisant les éléments pendant une durée t = Ts x, Ts étant la durée affectée à un élément A et ffi étant un nombre entier correspondant à la durée totale concernée par l'algorithme d'entrelacement. L'entrelacement en fréquence permet de disposer d'un degré de liberté supplémentaire (réduction de l'interférence intersymbole) et ne nécessite pas de dispositif particulier de synchronisation, ce qui est un élément de simplicité. Le désentrelacement consiste, à la réception, à remettre les symboles dans leur ordre de sortie du codeur. La redondance introduite est utilisée dans le récepteur en mettant en oeuvre un algorithme de décision qui effectue avantageusement le choix par recherche du maximum de vraisemblance a posteriori en déterminant quelle est, parmi toutes les mosalques possibles (c'est-à-dire autorisées par le codage), celle qui est la plus proche de la mosaïque effectivement reçue. L'invention propose également une installation de diffusion permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus. L'installation comprend - un émetteur ayant un codeur convolutionnel fournissant des échantillons numériques, des moyens d'entrelacement des symboles codés dans le temps en affectant à chacun une durée de transmission plus importante grâce à l'utilisation de plusieurs voies d'un canal de transmission, généralement à des fréquences différentes, et - un récepteur comprenant des moyens de désentrelacement destinés à restituer les symboles codés et à les mémoriser sur une période de temps permettant d'évaluer la suite binaire d'origine par détermination des chemins de probabilité maximale dans le treillis réalisé par la convolution. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier d'exécution de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe montrant la répartition des symboles successifs codés à transmettre dans l'espace temps-fréquence, - la Figure 2 montre une mosaïque possible des symboles à transmettre réalisés par entrelacement en temps et distribution en fréquence, - la Figure 3 est un diagramme de principe d'émission dans la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, - la Figure 4, similaire à la Figure 3, est un diagramme de réception, - les Figures 5 et 6 sont des diagrammes correspondant à un cas particulier des Figures 3 et 4. Dans son principe, le procédé suivant l'invention met successivement -en oeuvre, à l'émission, un codage puis une répartition des éléments d'information en fréquence (entrelacement en fréquence) et dans le temps (entrelacement en temps). Cette répartition peut être du genre montré en figure 1. Les éléments discrets (symboles) A obtenus par numérisation d'échantillons successifs d'un signal, puis codage, sont mémorisés, puis répartis dans l'espace fréquence temps t. Sur la Figure 1, n éléments discrets A (fi, tj) sont simultanément transmis au même instant tj, chacun pendant une durée T51 à n fréquences différentes fol, ... fi, ....fn. Comme le montre la Figure 3, les éléments binaires (bits) ak à transmettre sont d'abord soumis à un codage convolutionnel destiné à faire apparaitre une redondance. Ce codage implique que le rendement (rapport entre le nombre de bits utiles p et le nombre correspondant q de bits en sortie) soit inférieur à 1. On peut par exemple utiliser un code ayant un rendement R = p/q = 1/2 et c'est ce cas particulier qui sera détaillé plus loin. Le codeur 10 fournit, avec un retard lié à l'algorithme de codage, q bits sur q sorties différentes pour p bits d'entrée. L'étape suivante consiste à réaliser un entrelacement en temps et en fréquence. A condition de disposer d'un nombre de voies suffisant, l'entrelacement en fréquence permet d'affecter à chaque bit S une durée T5 supérieure à celle d'un bit d'entrée ak, en dépit du rendement inférieur à 1 du codeur 10. La Figure 2 montre, à titre d'exemple, une répartition possible en temps et en fréquence de bits S1, S2, .. fournis en succession par le codeur 10, sur quatre voies à fréquences différentes. Pour réduire l'encombrement spectral à l'émis sion, les bits transmis sur chaque voie peuvent être groupés en blocs de k bits par des codeurs 14. Dans ce cas, les blocs successifs sont appliqués à des modulateurs 16 à 2k états associés à des oscillateurs à fréquences respectives zut fn Les sorties des modulateurs attaquent un multiplexeur en bande de base 18 dont la sortie est reliée à l'antenne d'émission. Le diagramme de réception (Figure 4) comporte n voies d'entrée ayant chacune un démodulateur 22 muni d'un filtre de largeur Fs centré sur l'une des fréquences fl à f n et un convertisseur analogique/numérique 24. Les sorties du convertisseur sont reliées à un ensemble effectuant le désentrelacement et fournissant les valeurs estimées âk des bits k du message appliqué à l'émetteur, en utilisant la redondance introduite par le code convolutionnel. De façon générale, il est avantageux d'utiliser un récepteur comportant, en aval des convertisseurs A/N 24, une logique de décision utilisant non pas la détection "dure" par comparaison des échantillons reçus à un seuil prédéterminé, mais une logique de recherche a posteriori de la mosaique des A(fi, tj) ayant le maximum de vraisemblance. Dans la pratique, cela revient à choisir celui des schémas dans la mosalque des A(fi, tj) qui correspond à la valeur maximale de la métrique r, définie comme la densité de probabilité de la séquence reçue conditionnellement à l'émission d'une séquence donnée. Pour cela, chaque décision est prise après observation d'un nombre M de symboles A(fi, tj) reçus. Ce nombre dépend du code utiisé ; pour un codage convolutif, il dépend de la longueur de contrainte du code. Plusieurs types d'algorithmes peuvent être utilisés à la réception, et notamment l'algorithme de Viterbi, décrit dans *Convolutional Codes and Their Performances in Communication Systems", IEEE TRANS., Commun. Technol. Vol. COM., 19 octobre 1971. Le diagramme de réception est alors du genre montré en Figure 4 qui comporte successivement le désentrelacement en 26 suivant un algorithme mémorisé dans le récepteur, le calcul des métriques en 28 et la recherche du chemin correspondant à la métrique maximale en 30. A titre d'exemple on décrira maintenant la constitution de principe d'un émetteur (Figure 5) et d'un récepteur (Figure 6) correspondant à un procédé où - le code convolutionnel a un rendement p/q = 1/2 - le treillis de détermination du chemin de métrique maximale comporte quatre noeuds et chaque branche du treillis est codée sur deux bits - le canal de transmission comporte n = quatre voies qu'on supposera être des fréquences f1, f2, f3 et f suffisamment séparées pour être indépendantes vis-àvis des perturbations qui affectent le canal de transmission - la modulation sur chaque voie est binaire (0 et 1). L'émetteur (Figure 5) comporte le codeur convolutionnel 10 de type fournissant deux bits en ligne simultanément, sur les sorties 32 et 34, pour chaque bit ak d'information, en faisant intervenir trois bits successifs dans l'algorithme de codage. Le code convolutionnel utilisé, ainsi que l'algorithme d'entrelacement, pourront être choisis en fonction du type de perturbations à redouter : en effet, les perturbations présentent des allures très différentes dans la représentation temps-fréquence. Par exemple, un affaiblissement de Rayleigh est sélectif en fréquence et en temps ; un bruit impulsif correspond à un large spectre de fréquence, mais est localisé dans le temps. L'entrelacement en temps et en fréquence permet de réduire la probabilité des fausses décisions en assurant l'indépendance entre échantillons successifs vis-à-vis des perturbations du canal. L'entrelacement en fréquence des bits en ligne est effectué par un dispositif 36 de distribution sur quatre voies, représenté schématiquement par la transformation 2 bits-4 bits parallèle. L'entrelacement dans le temps est obtenu à l'aide de registres à décalage 38 placés sur les sorties du dispositif 36, retardant les bits en ligne de durées respectives T1, T2 et T3 multiples de Ts et qui maintiennent les symboles en sortie pendant une durée double de la période de celle des données d'entrée L'émetteur illustré ne comporte pas de circuits de codage en blocs et la modulation est binaire.Les sorties du dispositif 36 sont appliquées, directement pour l'une des voies, par l'intermédiaire d'un registre 38 pour les autres voies, aux modulateurs 16 qui reçoivent chacun une porteuse de fréquence f1, f2, f3 ou f4. Le mode de modulation adopté est avantageusement tel que les démodulateurs du récepteur puissent être simples, par exemple du type à détection d'enveloppe ou différentiel. Mais, de façon générale, on peut adopter toute modulation en amplitude, phase ou fréquence. Le récepteur (Figure 6) comporte, en aval d'étages d'entrée classique, d'amplification et de filtrage, non représentés, des organes symétriques de ceux de l'émetteur. Chaque voie comporte un démodulateur 22 fournissant un échantillon, à des instants successifs séparés de T 1 xn D x P/q avec D débit linéaire utile P/q rendement du code n nombre de canaux (ou porteuses). En général, la partie du récepteur située en aval du démodulateur est numérique et chaque voie comporte alors un convertisseur A/N 24, fournissant par exemple l'échantillon codé sur trois bits au circuit de désentrelacement temporel. Ce circuit se compose de trois registres à décalage 42 fournissant des retards complémentaires de ceux appliqués sur les voies correspondantes à l'émission. Dans ce cas particulier d'entrelacement, les registres 42 fonctionnent automatiquement en synchronisme du fait de la transmission en parallèle. Le circuit de désentrelacement en fréquence 40 est constitué par une matrice câblée permettant de disposer simultanément, sur quatre sorties parallèles, des échantillons représentatifs du message codé par le codeur convolutif, mais affectés de bruit. Les échantillons, codés sur trois bits, sont appliqués à l'unité 28 de calcul des métriques, prévue ici pour calculer deux fois quatre métriques de corrélation émettant la décision sur deux branches successives du treillis. A tout instant kT, le décodeur de Viterbi ne conserve qu'un chemin aboutissant à un noeud du treillis sur le critère de la plus grande métrique (corrélation). Le circuit de décision 30 appliquant l'algorithme de Viterbi fournit les éléments binaires évalués Pour des débits de l'ordre quelques centaines de k bits/s, on peut utiliser, pour implémenter les fonctions 28 et 30, un microcalculateur dont le logiciel applique en temps réel l'algorithme de Viterbi. L'invention est susceptible de nombreux modes de mise en oeuvre. On remarquera que la décorrélation entre porteuses impose une distance minimale entre porteuses. Cette solution est particulièrement aisée à mettre en oeuvre lorsque plusieurs canaux de transmission distincts sont prévus : il est alors naturel d'intercaler les fréquences correspondant aux différentes émissions. On peut par ailleurs réaliser un multiplexage par le mode décrit dans l'article "Advanced Groupband Data Modem Using Orthogonally Multiplexed QAM Technique" de Hirosaki et autres (IEEE Transactions on Communications, Vol. COM-34, No. 6, June 1986, pp. 557-592) auquel on pourra se reporter. REVENDICATIONS 1. Procédé de diffusion numérique, caractérisé en ce qu'il comprend : le codage (10) des bits à l'aide d'un code redondant conduisant à des symboles de modulation en parallèle A(fi, tj) ; l'émission desdits symboles en les répartissant dans l'espace fréquence f par répartition entre n fréquences ou voies de diffusion (12) (n étant un nombre entier supérieur à 1), deux éléments A successifs n'étant jamais émis à des instants successifs et à la même fréquence, et éventuellement l'association de cette répartition en fréquence à un entrelacement dans le temps. 2. Procédé selon la revendication 1 suivant lequel on assure, par la répartition du débit entre plusieurs voies de transmission et l'augmentation de la durée -des symboles transmis dans chacune des voies, l'indépendance des affaiblissements et distorsions qui affectent les symboles successifs tout en réduisant le brouillage intersymbole. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on décode le signal à l'arrivée en reconstituant la suite ordonnée des symboles codés et en ce qu'on estime la suite des bits d'information à partir de données reçues par un algorithme de recherche du maximum de vraisemblance a posteriori. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le codage s'effectue par un code convolutif et l'entrelacement en fréquence par modulation sur n voies à deux niveaux de modulation. 5. Installation de diffusion de données, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un émetteur ayant un codeur convolutionnel fournissant des échantillons numériques, des moyens d'entrelacement dans le temps et assurant pour chacun des symboles de modulation une durée plus importante associée à l'indépendance mutuelle vis-à-vis du canal grâce à la répartition entre plusieurs voies de transmission - un récepteur comprenant des moyens de désentrelacement destines à restituer la suite ordonnée des symboles et à les décoder par détermination des chemins de probabilité maximale dans le treillis réalisé par la convolution.