Brevet FR2671248A1 — publié le 19920703

La présente invention concerne de façon générale le domaine des télécommunications et, plus particulièrement, la synchronisation des fréquences et des tranches de temps dans un environnement de télécommunication mobile. Puisqu'un radiotéléphone mobile ne possède pas de référence interne de fréquence suffisamment précise, il doit effectuer des ajustements de fréquence fins pour réaliser la synchronisation de fréquence voulue avec la fréquence d'une station de base. Dans un système à accès multiple temporel (TDMA), des voies logiques multiples sont transmises sur la même fréquence, mais avec séparation dans le temps, comme représenté sur la figure 2. Pour communiquer avec une station de base, le radiotéléphone mobile doit également trouver les frontières de ces tranches de temps, ce qui s'appelle la synchronisation des tranches de temps. Les différentes stations de base d'un système radiotéléphonique cellulaire maintiennent des références de fréquence très précises, mais utilisent des fréquences d'émission différentes et, éventuellement, des alignements de tranches de temps différent. Lorsqu'un radiotéléphone mobile passe d'une cellule à une autre dans un système radiotéléphonique cellulaire, le radiotéléphone mobile peut demander quelque ajustement mineur de la fréquence, ainsi qu'une synchronisation complète des tranches de temps, pour pouvoir communiquer avec la nouvelle station de base. Pour réaliser cela dans un système radiotéléphonique cellulaire numérique, le radiotéléphone trouve d'abord un canal de correction de fréquence (FCCH), qui est une partie du canal de commande de diffusion (BCCH). La figure 2 illustre les tranches du FCCH et d'autres voies de commande de données qui réa lisent la structure TDMA multitrame du BCCH. Ce format de présentation est décrit de façon plus détaillée dans le GSM de spécifications norma Lisées pour systèmes cellulaires numériques, Recommandation 5.02, Version 3.3.1, 13 octobre 1989. Le signal de bande de base du FCCH est une salve de correction de fréquence (FCB), à savoir un son pur (onde sinusoidale) à 67,5 kHz, comprenant 148 échantillons, qui est envoyée périodiquement et qui occupe toujours la tranche de temps zéro du train de données Le décalage entre La fréquence de porteuse de la station de base et celle du radiotéléphone mobile se traduit, pour la bande de base, sous la forme d'un écart par rapport à 67,5 kHz. Les frontières de la FCB délimitent les tranches de temps de la structure TDMA. A partir de la détection du FCCH, Le radiotéléphone mobile synchronise les limites des tranches de temps et sa fréquence d'oscillateur local avec ceux de la station de base en utilisant la salve de correction de fréquence dans la tranche de temps du FCCH. Puisque la salve est relativement courte, le radiotéléphone mobile doit la trouver dans le train de données et se synchroniser avec elle en ce temps très bref. Il existe donc le besoin d'un procédé permettant de détecter très rapidement la présence et les frontières de la FCB, ainsi que d'estimer très précisément Le décalage de fréquence, même lorsque les signaux sont reçus en présence de bruits. Le procédé de synchronisation selon l'invention comprend les opérations consistant à filtrer un signal reçu à L'aide d'un moyen de filtrage adaptatif, à mettre ce signal en tampon dans un moyen de mémorisation, et à déterminer si le son de correction de fréquence est présent (le procédé de détection). Ceci établit également Les frontières des tranches de temps TDMA. Lorsque ce son de correction de fréquence est présent, sont effectuées des opérations consistant à filtrer Le signal mis en tampon et à déterminer la différence entre la fréquence de ce signal filtré et 67,5 kHz (Le procédé d'estimation du décalage de la fréquence de porteuse). La description suivante, conçue à titre d'illustration de L'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages ; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels la figure 1 est un schéma fonctionnel du procédé selon l'invention ; la figure 2 représente le format du canal de commande de diffusion multitrame (TDMA) ; et la figure 3 représente un radiotéléphone typique, qui utilise le procédé selon l'invention, dans un système du type TDMA. Le procédé selon L'invention réa lise la synchronisation rapide des fréquences et des tranches de temps entre un radiotéléphone mobile et la station de base avec laquelle il communique. Ceci est réalisé par détection de la présence et des frontières de la salve de correction de fréquence et par détermination de la fréquence de ce son de la bande de base. Le mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention est illustré sur la figure 1. Le signal d'entrée appliqué au procédé est L'un des deux signaux de quadrature de bande de base, le courant de données I ou Q, échantillonné à raison d'un échantillon par unité de temps binaire, venant du récepteur du radiotéléphone. Ce signal, appelé xn sur la figure 1, subit initialement un filtrage dans un filtre passe-bande à réponse impulsionnelle infinie (IIR) du deuxième ordre (101). Le gain et le pôle de ce filtre sont tous deux adaptatifs.On ajuste Le gain afin de maintenir sensiblement un gain unité dans le filtre, c'est-àdire que l'énergie présente à la sortie est égale à L'énergie présente à l'entrée. On déplace le pôle du filtre de façon que la bande passante du filtre contienne Le signal reçu. Le signal de sortie du filtre est appelé yn. Le filtrage s'effectue de la manière suivante On estime ensuite, dans les blocs d'estimation d'énergie (103 et 104), l'énergie du signal d'entrée et l'énergie du signal filtré. L'estimation de l'énergie d'entrée est réalisée de la manière suivante L'estimation de l'énergie filtrée est La suivante : 0ce est le coefficient d'adaptation d'énergie et est fixé à une valeur égale à 0,091 pour les opérations d'estimation. Les énergies d'entrée et de sortie, soit E(x)n+1 et E(y)n+1, sont comparées dans le bloc d'adaptation de gain (105), le gain du filtre étant adapté de façon à apparier les énergies du signal d'entrée et du signal filtré. Ce gain adapté est ensuite renvoyé au fiLtre. La comparation et L'adaptation sont effectuées de la manière suivante ou bn+1 est le gain du filtre adaptatif et ab est le coefficient d'adaptation du gain, qui est fixé à 0,077 pour l'opération d'adaptation de gain. Le bloc d'adaptation de pôle (102) permet d'estimer la fréquence instantanée du signal filtré. On adapte le pâle du filtre adaptatif en direction de cette fréquence et on renvoit au filtre (101) la nouvelle position du pôle. Cette opération est comme ci-dessous définie End If End If où e est une estimation instantanée du pôle et Oc est le n p coefficient d'adaptation du pole, qui est fixé à 0,083 pour l'opé- ration d'adaptation du pôle. Lorsque le filtre adaptatif suit un son pur, par exemple la salve de correction de fréquence, toute L'énergie se trouvant dans le signal d'entrée est contenue dans la bande du filtre passe-bande. On peut donc obtenir un gain unité dans le filtre (101) avec la va leur La plus faible du gain du filtre.On vérifie cette condition pour déterminer La présence instantanée d'un son dans le bloc de détection de son (106). Si gn+1 est inférieur à une valeur de seuil de 1,2 et si bon+1 est inférieur à une valeur de seuil de f(an), alors Le son est présent. Le bloc minuterie (107) mesure la durée pendant laquelle L'état de présence du son persiste. Si ce son est présent pendant au moins 100 échantillons dans le mode de réalisation préféré, on considère que la présence de la salve de correction de fréquence a été vérifiée. Cette intégration empêche l'algorithme de détecter de manière erronnée un signal qui, pour des périodes courtes, peut apparaître comme un signal à bande étroite. Le signal xn, qui est appliqué en entrée au filtre (101), est également emmagasiné dans un tampon du type registre à décalage (108). Des qu'il a été déterminé que ce signal emmagasiné est la salve de correction de fréquence, Le signal venant du tampon (108) est appliqué à L'entrée du filtre passe-bande (101), de nouveau à L'aide des coefficients optimaux, soit a et b , qui ont été déterminés pendant le procédé de détection. Puisque la bande passante du filtre (101) est maintenant accordée sur la fréquence de la salve de correction de fréquence, alors, après le procédé d'adaptation ci-dessus présenté, elle transmet ce signal sans atténuation et élimine par filtrage le bruit de fond, ce qui améliore le rapport signal-bruit effectif. Le signal filtré, soit yn, est ensuite traité suivant un procédé d'estimation de L'erreur des moindres carrés, afin qu'il soit produit une estimation de la fréquence, soit q , du son de la bande de base. * La différence entre q et p/2 (67,5 kHz) constitue le décalage de fréquence entre la fréquence de porteuse de La station de base et celle du radiotéléphone mobile. Cette donnée est appliqué au circuit d'oscillateur local du radiotéléphone pour compenser le décalage de la fréquence de porteuse. Le procédé cidessus décrit est effectué périodiquement pour maintenir le radiotéléphone mobile verrouillé sur la fréquence de porteuse de la station de base. Un exemple de la partie réceptrice d'un radiotéléphone mobile typique devant être utilisé dans un système TDMA est illustré sur la figure 3. Le bloc du décodeur de I et Q contient le procédé de synchronisation selon l'invention. Ce type de radiotéléphone est discuté de manière plus détaillée dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique déposée sous le numéro 590 415, "Interference Reduction Using an Adaptive Receiver Filter Signal Strength, and Ber Sensing" 28 septembre 1990 au nom de Cahill et cédée à la demanderesse. En résumé, il a été présenté un procédé nouveau qui permet de synchroniser la fréquence d'oscilateur local et les positions des tranches de temps d'un radiotéléphone mobile avec ceux du signal reçu en provenance d'une station de base. Cette synchronisation s'effectue en temps réel et avec une précision notablement améliorée. Bien entendu, L'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de synchronisation de fréquence entre une station de base de télécommunication cellulaire qui émet une pluralité de signaux, au moins l'un de ces signaux ayant un son de correction de fréquence, et un dispositif de télécommunication mobile qui reçoit les différents signaux, le dispositif de télécommunication mobile ayant un moyen oscillateur local à fréquence variable, le procédé étant caractérisé par les opérations suivantes a) filtrer un premier signal parmi la pluralité de signaux afin de produire un premier signal filtré (101) ; b) mettre en tampon le premier signal afin de produire un signal mis en tampon (108) ;; c) déterminer si le son de correction de fréquence est présent dans le premier signal en déterminant l'énergie du premier signal et l'énergie du signal filtré ainsi que la durée pendant laquelle existe une relation entre ces énergies (102-107) ; d) lorsque le son de correction de fréquence est présent, filtrer le signal mis en tampon afin de produire un deuxième signal filtré qui contient une information de décalage de fréquence de porteuse (110) ; le procédé étant en outre caractérisé par l'opération suivante e) lorsque le son de correction de fréquence est présent, déterminer, à partir du deuxième signal filtré, la différence de fréquence entre la fréquence de porteuse du signal venant de la station de base et la fréquence du moyen oscillateur local du dispositif de télécommunication mobile (109). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par l'opération qui consiste à régler le moyen oscillateur local du dispositif de télécommunication mobile en fonction de La différence de fréquence. 3. Procédé selon La revendication 1, caracstérisé en ce que la relation entre les énergies d'entrée et de sortie est une relation d'égalité. 4. Procédé de synchronisation de fréquence, dans un système de télécommunication cellulaire à accès multiple temporel (TDMA), entre une station de base de télécommunication, qui émet plusieurs signaux TDMA à plusieurs fréquences, et un dispositif de télécommunication mobile qui reçoit les différents signaux, chaque signal étant constitué d'une pluralité d'échantillons et au moins un des signaux ayant un son de correction de fréquence, le dispositif de télécommunication mobile ayant un moyen oscillateur local à fréquence variable qui varie en fonction du son de correction de fréquence, le procédé étant caractérisé par les opérations suivantes :: a) filtrer un premier signal parmi les différents signaux à L'aide d'un filtre adaptatif afin de produire un signal filtré, le filtre adaptatif ayan un gain variable et un pâle variable (101) ; b) mettre en tampon le premier signal afin de produire un signal mis en tampon (108) ; c) déterminer un premier niveau d'énergie pour le premier signal (103) ; d) déterminer un deuxième niveau d'énergie pour le signal filtré (104) ; e) faire varier le gain du filtre adaptatif en fonction de la différence entre les premier et deuxième niveaux d'énergie (105) ; f) faire varier le pôle du filtre adaptatif en fonction de la fréquence du deuxième signal (102) ;; g) lorsque le premier niveau d'énergie est égal au deuxième niveau d'énergie, déterminer la quantité d'échantillons du premier signal pour laquelle la relation entre Les première et deuxième énergies existe (106-107) ; h) lorsque la quantité d'échantillons est sensiblement égale au nombre prédéterminé, filtrer Le signal mis en tampon afin de produire un deuxième signal filtré ayant une information de décalage de fréquence de porteuse (110) ; le procédé étant en outre caractérisé par l'opération suivante i) si la quantité d'échantillons est sensiblement égale à un nombre prédéterminé, déterminer à partir du deuxième signal filtré, la différence de fréquence entre la fréquence de porteuse du signal venant de la station de base et la fréquence du moyen oscillateur local du dispositif de télécommunication mobile (109). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en outre par l'opération consistant à régler le moyen oscillateur local du dispositif de télécommunication mobile en fonction de la différence de fréquence. 6. Radiotéléphone destiné à être utilisé dans un système de télécommunication cellulaire du type TDMA, le radiotéléphone possédant un moyen de démodulation servant à produire les signaux I et Q, le radiotéléphone étant caractérisé par a) un moyen servant à émettre un premier signal ; b) un moyen servant à recevoir un deuxième signal, couplé au moyen de démodulation TDMA, le moyen de démodulation TDMA traitant le deuxième signal afin de produire les signaux I et Q ; le radiotéléphone étant en outre caractérisé par c) un moyen de traitement servant à traiter les signaux I ou Q, le moyen de traitement effectuant les opérations suivantes : filtrer un premier signal parmi les différents signaux à L'aide d'un filtre adaptatif afin de produire un premier signal filtré (101) ; mettre en tampon le premier signal afin de produire un signal mis en tampon (108) ; déterminer si le son de correction de fréquence est présent dans le premier signal en déterminant L'énergie du premier signal et L'énergie du signal filtré ainsi que la durée pendant laquelle une relation existe entre ces énergies (102-107) ; lorsque le son de correction de fréquence est présent, filtrer le signal mis en tampon afin de produire un deuxième signal filtré contenant une information de décalage de fréquence de porteuse (110) ; le moyen de traitement effectuant en outre l'opération suivante lorsque le son de correction de fréquence est présent, déterminer, à partir du deuxième signal filtré, La différence de fréquence entre la fréquence de porteuse du signal venant de La station de base et la fréquence du moyen oscillateur local du dispositif de télécommunication mobile (109).