Brevet FR2625856A1 — publié le 19890713

Procédé et dispositif de démodulation de données numériques transmises en évasion de fréquence sur un canal de transmission ionosphérique La présente invention concerne un procédé et un disposi- tif de démodulation de données numériques transmises en évasion de fréquence sur un canal de transmission ionosphérique. Les techniques connues de démodulation adaptées aux 5 liaisons ionosphériques en évasion de fréquence se divisent en deux catégories. Une première catégorie concerne les techniques de faible complexité mettant en oeuvre des modulateurs démodula- teurs connus sous la désignation MFSK ou encore des modula- teurs travaillant sur des multi-sous-porteuses. 10 Ces techniques conduisent à des réalisations qui résis- tent généralement assez bien aux perturbations introduites par les multitrajets des ondes radioélectriques. En contrepartie elles nécessitent des vitesses de modulation faibles pour que le trainage d'un symbole sur l'autre soit relativement faible er 15 regard de la durée de chaque symbole. Elles ont également l'in- convénient d'être sous optimales en ce qui concerne le bilan de liaison puisque les portions de symboles affectées d'interféren- ces ne sont pas utilisées en démodulation. D'autre part, l'incon- vénient des procédés de modulation h multi-sous-porteuses appa- 20 raît clairement par le facteur crête élevé qui empêche une utilisa- tion de l'émetteur à son rendement maximal. La deuxième catégorie concerne les techniques de grande complexité. Celles-ci mettent en oeuvre différents algorithmes d'égalisation adaptative pour réaliser un filtrage inverse de 25 celui propre au canal sans qu'aucune hypothèse restrictive sur le type de canal ne soit faite.. Un mode de réalisation de ces techniques est par exemple décrit dans le brevet US 4 365 33E ayant pour titre "Technic for digital transmission over dynamic dispersive channel". Cependant l'inconvénient de ces techniques 30 apparaît dans le coût en calcul impliqué par l'entretien perma- nent (réactualisation au rythme symboles) des gains d'un égali- 2625856 2 seur dont la non spécificité entraine la détermination d'un grand nombre de coefficients a priori tous inconnus. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. 5 ~ A cet effet, l'invention a pour objet, un procédé de démo- dulation de données numériques transmises en évasion de fré- quence sur un canal de transmission ionosphérique caractérisé en ce qu'il consiste: - à estimer le nombre de traiets par leurs retards moyens 10 dans la bande d'étalement des signaux en évasion de fréquence, - à effectuer un premier filtrage sur les échantillons du palier reçu adapté à la modulation et au canal de transmission, - à effectuer un deuxième filtrage consistant: - à annuler les interférences dues aux symboles déjà 15 démodulés, - à annuler les interférences dues aux symboles non encore démodulés, et .à déterminer à partir des résultats du deuxième filtrage le symbole émis le plus probable. 20 L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité. D'autres caractéristiques et av-antages de l'invention appa- raîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en re- gard des dessins ci-annexés qui représentent: 25 - la figure 1 la structure d'un palier EVF - la figure 2 un schéma fonctionnel représentatif du procé- dé et du dispositif selon l'invention: - la figure 3 un mode de réalisation du filtre adapté à la modulation et au canal de la figure 2; 30 - la figure 4 un mode de réalisation du filtre pour annu- ler les interférences dues aux symboles déjà démodulés de la figure 2; - la figure 5 un mode de réalisation du filtre pour annu- ler les interférences dues aux symboles non encore démodulés de 35 la figure 2 2625856 3 - la figure 6 un organigramme montrant un processus de détermination des coefficients de l'égaliseur de la figure 2; - la figure 7 un mode de réalisation du circuit permet- tant le choix du symbole qui a l'énergie la plus faible de la 5 figure 2. Le procédé de démodulation selon l'invention qui est dé- crit ci-après a pour fonction de démoduler un signal modulé en phase de type connu sous la désignation PSK qui est l'abrévia- tion du terme anglo-saxon Phase Shift Keying, ce signal étant 10 transmis en évasion de fréquence sur un canal multitrajets dans les hypothèses o, les retards de chacun des différents trajets s'étalent au maximum suivant une durée relativement faible de l'ordre de 500 microsecondes par exemple. Les positions moyen- nes de ces retards sont acquises préalablement pour être ensuite 15 fournies à un démodulateur de signaux PSK. Le décalage de porteuse induit par l'effet Doppler qui peut affecter éventuelle- ment la liaison est acquis et entretenu par un module indépen- dant du démodulateur, le nombre de trajets tolérés est alors fixé à un maximum. Enfin les variations des paramètres du canal 20 (,gain et déphasage associés aux multitrajets) sont considérées comme négligeables par rapport à la durée d'un palier de la transmission en évasion de fréquence. Ces hypothèses permettent de simplifier les traitements de démodulation et reflètent la quasi- totalité des conditions de transmission sur canal ionosphérique 25 en évasion de fréquence pour une bande d'étalement des sauts variant typiquement de un mégahertz le jour à 500 kilohertz la nuit. Une structure type d'un palier à transmission de données EVF est représentée à la figure 1. Cette structure comprend 30 cinq champs référencés de 0 à 4. Le champ 0 a une longueur de trois symboles et représente un temps mort qui est le temps nécessaire à la commutation de synthétiseurs de fréquence, non représentés, du récepteur des signaux EVF sur la fréquence du palier. Le champ 1 a une longueur de 12 symboles et correspond 2625856 4 au temps nécessaire à l'asservissement des bcucles de contre-réactJon des amplificateurs de réception du récepteur. Le champ 2 a une longueur de onze symboles et permet la connaissance des caractéristiques du canal de transmission par 5 le démodulateur. Les symboles contenus dans les champs 1 et 2 permettent au démodulateur d'entretenir la synchronisation. Le champ 3 est constitué par un bloc d'informations compo- sé de 36 symboles. Enfin le champ 4 est un champ de garde de 10 symboles 10 correspondant au décalage maximum qui peut être toléré entre les trajets extrêmes parcourus par les symboles sur le canal de transmission. Les traitements qui sont représentés schématiquement par les blocs référencés de 1 à 17 sur la figure 2 et qul représen- 15 tent les différentes phases du procédé selon l'invention intervien- nent après une phase de synchronisation représenté en 5 sur la figure 2 durant laquelle sont déterminés le nombre de trajets présents et leurs instants moyens d'arrivée dans un Palier EVF. Durant la phase de synchronisation, le démodulateur du récep- 20 teur traite les symboles reçus sur des paliers longs dont la durée est fixée. dans l'exemple de réalisation qui suit. à trois fois la durée des paliers. De façon connue chaque palier contient des séquences de signaux de référence de type PN ou "pseudo Noise" connus du démodulateur du récepteur. et dont il 25 n'est pas nécessaire de décrire plus en détail le fon:tiornnement pour la mise en oeuvre de l'invention. On rappelle cependant que les traitements s'effectuent habituellement palier par pa- ller. Chaque séquence de signal reçue est corrélée, après être passée au travers d'un étage limiteur de démodulation. avec la 30 séquence PN attendue. Chaque signal corrélé obtenu est un signal complexe comprenant une partie réelle et une partie imagi- naire. Le module de chaque signal est élevé au carré pour être ensuite stocké dans une mémoire de façon à permettre un tri sur chaque palier complet des signaux contenus dans la mémoire et 35 détecter l'instant d'échantillonnage du module qui a la valeur 2625856 5 la plus. grande parmi tous les autres modules des signaux s:cc- kés. C'est cet instant qui définit la prise de la synchronisation à condition que la valeur correspondante soit au dessus d'un seuil défini par une probabilité de fausse alarme 5 prédéterminée. Pour obtenir une probabilité de non détection suffisamment faible il suffit d'augmenter le nombre de palJers de synchronisation. L'estimation du nombre des retards des multitraJets a lieu après la phase de synchronisation, et s'effec- tue de façon similaire. Une moyenne des résultats obtenus est 10 alors caleulée sur plusieurs paliers. La détection des retards des multitrajets est ensuite oLte- nue par repérage des instants d'échantillonnage des valeurs extrêmes du module moyen de la fonction d'intercorrélatin. élevée au carré, au-dessus d'un seuil prédéterminé. 15 Pour les communications de longue durée la phase de synchronisation peut être répétée régulièrement. Sur la figure 2 le signal R(t) à démoduler est tout d'abord échantillonné. à l'étape 6, au rythme de trois échantillons par symbole. Il est ensuite acheminé en parallèle vers un circuit d'amplification 7 20 à contrôle automatique de gain et vers un circuit limiteur 8. La commande de contre-réaction est bloquée après un temps d'asser- vissement de 15 symboles suivant le début d'un palier EVF e. les échantillons restants du palier sont stockés dans une mémoire 9 pour être traités ultérieurement. La sortie du circuit limiteur 25 8 alimente un module 10 dont la fonction est de préciser les retards des trajets détectés dans une fenêtre de 3 trois échantil- lons de part et d'autre de leur retard moyen estimé préalable- ment au cours de l'établissement de la synchronisation. Le traitement de démodulation nécessite la connaissance 30 des retards précis i(1), i(2) ... i(N) des différents trajets détectés sur le palier EVF, ceux-ci étant estimés dans le bloc 10. Les coefficients complexes hi(l), hi(2) ... hi(N) représen- tant la réponse Impulsionnelle du canal en fonction des indices 1(1), ... i(N)sont déterminés dans le bloc 11 A partir des 33 2625856 6 premiers échantillons du palier qui suivent l'instant de blocage de la contre-réaction du circuit amplificateur 7. La première étape du traitement de démodulation selon l'invention est représentée en 12. Elle débute par un filtrage adapté à la forme d'onde attendue. Ce filtrage consiste à effec-. tuer une corrélation du signal par la forme d'onde attendue au moyen des coefficients h(1) ... hi(N) déterminés précédemment. Le rôle du filtrage adapté est d'optimiser le rapport signal à bruit en recentrant sur chaque symbole l'énergie dispersée par 1: la modulation et lors de la transmission des symboles sur le canal. Le signal obtenu par l'opération de filtrage effectuée par le bloc 12 est affecté de deux types d'interférences inter- symboles qui sont les interférences issues des symboles déjà démodulés et les interférences des symboles non encore démodu- 1 lés. Le bloc 13 suivant permet d'annuler le premier type d'interférence du fait que les caractéristiques du canal sont con- nues par les traitements effectués par le bloc 11 et du fait que les symboles démodulés sont également connus aux erreurs près. 2 Le calcul de ces interférences et leur soustraction du signal à traiter sont effectués par le bloc représenté en 13. Les interférences inter-symboles futures qui sont une conséquence du filtrage adapté effectué par le bloc 12 sont ensuite réduites par égalisation dans le bloc 14. Les coefficients 25 de l'égaliseur compris dans le bloc 14 sont calculés à partir de l'estimation des caractéristiques du canal fournies par le bloc 11 et figées pour la durée du palier pour limiter sensiblement le volume des calculs. Une décision sur le caractère de vraisem- blance des symboles démodulés par rapport aux symboles atten- 30 dus est ensuite prise par le bloc 15 qui est couplé à la sortie du bloc d'égalisation 14. Le bloc 16 assure l'aiguillage des 32 premiers symboles à destination du bloc 11 et celui des symboles suivants à destina- tion du bloc de filtrage adapté 12. Le bloc 17 assure la généra- 35 tion des séquences de référence Sn nécessaires au bloc d'estima- 2625856 7 tion des coefficients non nuls de la réponse impulsionnelle du canal 11. Parmi les paramètres du canal, les retards des trajets sont connus des blocs d'estimation 11. Cependant leur puissance 5 et leur déphasage restent à déterminer. La connaissance de la position des coefficients non nuls de la réponse impulsionnelle du canal permet de limiter le nombre d'inconnues du problème et d'améliorer la qualité de leur estimation. En désignant par xn la séquence des échantillons reçus stockés après le blocage de 10 la boucle de contrôle de gain automatique du circuit d'amplifica- tion 7, cette séquence est équivalente au produit de convolution de la séquence sn des échantillons émis, par les coefficients de hi(j) de la réponse impulsionnelle du canal, auquel s'ajoute des échantillons b de bruit blanc gaussien. La relation correspon- n 15 dante s'écrit : C 1 h i(j). Sn-i(j )+b (1) j=1 o N désigne le nombre de trajets maximum estimable et i(j) désigne les indices des coefficients non nuls de la réponse impulslonnelle du canal. 20 En retournant à la figure 1 et en désignant par x le vecteur formé par les n = 33 symboles de la séquence de syn- --t chronisation, la matrice transposée x s écrit x = (X1, x2, ... x33) De façon similaire, la matrice transposée de la matrice 25 des coefficients h) s'écrit it =~~(j ht = (hi(l), hi(2) ... hi(N)) et la matrice transposée de la matrice des coefficients de bruit s'écrit: bt = (bl, b2, ... b33) 30 En désignant par S la matrice formée de coefficients S1 m tels que Slm = 1-i(m) 2625856 8 avec 1 lonneur 22. Ce circuit effectue la convolution de la réponse impulsionnelle conjuguée du canal par un peigne formé par 3 30 impulsions de diracs, puis la corrélation de la seçuence Xn par le produit de convolution obtenu. La sortie y du filtre est en- suite décimée pour ramener la fréquence d'échantillonnage au rythme symbole 1/T. En sortie de l'échantillonner 22, le sym- bole en cours de démodulation YR comporte des interférences 35 dues aux symboles précédents aRl aR-2 etc... 'une part, et 2625856 9 aux symboles suivants aR+1 aR+2 etc... d'autre part, ces derniè- res interférences étant générées par le filtrage adapté anti-causal. Ces deux familles d'interférences sont traitées sépa- rément par les blocs 13 et 14 de la figure 2. En reprenant les 5 notations précédentes chaque symbole YR obtenu en sortie du filtre adapté de la figure 3 vérifie une relation de la forme -1 -(M+2) YR = RM+2)-K + 0OaR + ~ 0K.aR-K+n _=- K=1 o: - aRK désigne le symbole de rang R-K dans la séquence des symboles émis 10 -0K désigne l'autocorrélation complexe de la forme de l'onde attendue. la forme attendue étant définie par le pro- duit de convolution de l'impulsion de phase (rectangle de durée - T) et de la réponse imnpulsionnelle h du canal. et nK désigne le bruit obtenu en sortie du filtre 15 adapté. Dans la relation (2) M+2 K j=1 - j' j+K j:l 2 o g j = '5 - K o ~~~i-K K=0 - représente les termes obtenus en sortie des circuits addition- 20 neurs 201 à 20M+1 Le dispositif qui est représenté à la figure 4 permet l'an- nulation du premier terme de la famille d'interférence. Ce terme correspond au premier terme de l'expression (2) qui est a droite du signe égal. Le dispositif se compose d'un circuit 25 soustracteur 23, d'un circuit sommateur 24 dont les entrées d'opérande sont reliées aux sorties de circuits multiplieurs référencés 25K (R 1) a 25M+2 et de registres référencés de 26K-(R-1) à 26M+1 et échantillonnés au rythme symbole 1 -'T. Les circuits multiplieurs 25 possèdent chacun deux entrées 30 d'opérande recevant. l'une le signal d'autocorrélation de la 2625856 10 forme d'onde attendue 0(k) et l'autre la séquence des symboles reçus aR+K. Pour chaque symbole A démoduler la sortie S du circuit soustracteur 23 génère des signaux. ZR, ZRj(î)... zR+ (N) tels que M+2 ZR YR - ' 0K aR-K (3 K=1 Les gains du circuit d'égalisation wl, w2, ... w(NW) sont déterminés à l'aide du circuit représenté à la figure 5. Ce cir- cuit comprend un circuit sommateur 27 relié par ses entrées d'opérandes à des circuits multiplieurs 281 à 28NW possédant 10 chacun une première et une deuxième entrée d'ppérande. Les premières entrées d'opérande reçoivent respectivement les coeffi- cients représentant les gains de l'égaliseur et les deuxièmes entrées d'opérande sont reliées respectivement à des registres à décalage notés respectivement de 291 à 29Nw-l la sortie du cir- 15 cuit d'égalisation est figurée par la sortie du circuit sommateur 27 et fournit un signal de la forme Nw a - aR ZR + 2 1WK.-:-j(K) + n R K=1 -j ) R ou encore j(Nw)+i(N) Nw a ~ ~ ~ ~ ~ ~ ( wK' ~ ) ' aR 1ÉO --il * (ô'O E *-j(K' )+il i~~ =0 ~~K'=0 O' 20 o wk désigne la suite des coefficients non nuls de l'égaliseur j(k) désigne la suite des indices correspondant aux va- leurs wk n'R désigne le bruit en sortie de l'égaliseur. 25 L'annulation des interférences dues aux symboles aR+l aR+2 est obtenue en annulant les coefficients de ces symboles dans l'équation (4). Cette condition est décrite par la relation Nw S = 25 WK (K) = (5) pour 1\ l'étape 33 le nombre p est supérieur ou égal à Nw alors le 25 calcul des coefficients de l'égaliseur est arrêté. La décision finale qui a lieu dans le bloc 15 de la fi- gure 2 est prise parmi les symboles possibles suivant un critère de maximisation de la fonction de vraisemblance suivante f(& j( a P)*. (a a R)=da(a ja) (6) 30 o d désigne la distance euclidienne entre les symboles a et aR o a(r) désigne la décision pondérée fournie par l'égali- seur et A(J) désigne une des décisions possibles. Un circuit correspondant est décrit à la figure 7. Ce 35 circuit comprend un ensemble de circuits soustracteurs 351 à 35p 2625856 12 disposant chacun d'une première entrée d'opérande sur. laquelle est appliquée le signai aR provenant du circuit égaliseur de la figure 6 et une deuxième entrée d'opérande. sur laquelle est appliquée respectivement la suite des symboles possibles a1 à 5 a2p. La sortie de chacun des circuits soustracteurs 351 à 35p est reliée respectivement d'une part, à l'entrée d'un opérateur de conjugaison de nombres complexes 361 à 36p et d'autre part, à une première entrée d'opérande des circuits multiplieurs 371 à 37p. La deuxième entrée d'opérande des circuits multiplieurs 371 10 à 37 est reliée à la. sortie des opérateurs de conjugaison de P nombres complexes 361 à 36p. Les sorties des circuits multiplieurs 371 à 37p sont reliées respectivement à un circuit comparateur 38 qui détermine sur sa sortie le symbole dont l'énergie est la plus faible et le résultat est appliqué sur les 15 entrées de registres à décalage 26 du circuit représenté à la figure 4. Le mode de réalisation du dispositif qui vient d'être dé- crit n'est pas unique et il va de soi par exemple qu'un mode de réalisation équivalent peut également être obtenu, comme le mon- 20 tre la figure 8, à l'aide d'une architecture comprenant un micro- processeur 39 de traitement du signal convenablement programmé pour exécuter les différentes étapes du procédé représenté à la figure 2, le microprocesseur 39 étant relié au moyen d'un bus de données 40 à un démodulateur 41, à une mémoire de programmes 25 42 et à mémoire de donnée 43, le démodulateur 41 étant un démo- dulateur de signaux PSK composé de façon connue par deux. circuits transposeurs de fréquence 44 et 45. un synthétiseur de fréquenee local 46, un circuit 47 de déphasage +2, de deux filtres 48 et 49, de deux convertisseurs analogiques numériques 30 50 et 51 et d'un circuit d'interface 52. 2625856 13 REVENDICATIONS 1. Procédé de démodulation de données. numériques trans- mises en évasion de fréquence sur un canal de transmission lonosphérique caractérisé en ce qu'il consiste: - à estimer le nombre de trajets par leurs retards moyens 5 dans la bande d'étalement des signaux en évasion de fréquence - à effectuer un premier filtrage (12) sur les échantil- Ions du palier reçu adapté à la modulation et au canal, - effectuer un deuxième filtrage consistant: - à annuler (13) les interférences dues aux symboles 10 déjà démodulés, - à annuler (14) les interférences dues aux symboles non encore démodulés et à déterminer (15) à partir du résultat du deuxième filtrage le symbole émis le plus probable. 15 2. -Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste a repérer (5) les retards des trajets- dans une fenêtre temporelle de dimension égale à celle de la durée de trois échantillons de part et d'autre de leur retard moyen estimé. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 20 2 caractérisé en ce qu'il consiste à stocker (9) en mémoire les échantillons de chaque palier reçu. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il consiste pour effectuer le preener fil- trage à effectuer une corrélation de la séquence des échantil- 25 Ions par forme d'onde attendue, la forme d'onde attendue étant obtenue par le produit de convolution (19) d'un signal rectangu- laire ayant la durée d'un symbole avec la réponse d'un filtre ayant pour réponse impulsionnelle celle du canal de transmission. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce 30 qu'il consiste pour annuler les interférences dues aux symboles déjà démodulés, à effectuer une autocorrélation de la forme d'onde attendue avec la séquence des symboles déjà reçus, pour 2625856 14 soustraire (23) celle-ci du résultat de la corrélation obtenu par le premier filtrage. 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il consiste pour annuler les interférences dues aux symboles 5 non encore démodulés, à effectuer une égalisation (14) du résul- tat donné par l'autocorrélation en fonction de gains (11) détermi- né par une estimation des coefficients non nuls de la réponse impulsionnelUe du canal. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce 10 qu'il consiste pour déterminer, à partir des résultats du deuxième filtrage (13, 14), les symboles émis les plus proba- bles, à comparer (15) la distance euclidienne de chaque symbole fourni par l'égalisation aux différents symboles possibles. 8. Dispositif de démodulation de données caractérisé en 15 ce qu'il comprend un démodulateur de signaux PSK couplé à une unité de traitement (39) convenablement programmée pour exécu- ter les étapes du procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7.