Brevet FR2664113A1 — publié le 19920103

Procédé de transmission numérique à étalement de spectre par séquence directe à changement de séquences en cours de transmission, et émetteur et récepteur le mettant en oeuvre La présente invention concerne les transmissions proté- gées de signaux numériques, en particulier les transmissions par faisceaux hertziens. L'objet de la protection consiste à rendre la liaison résis- tante face à des brouilleurs; à cet égard, l'un des modes de protec- tion possibles bien connu, auquel se rattache l'invention, est le pro- cédé dit d'étalement de spectre par séquence directe. Ce procédé est par exemple décrit dans l'ouvrage de Jack K Holmes intitulé Coherent Spread Spectrum Systems, a Wiley- Interscience Publication, John Wiley & Sons, 1982. Essentiellement, il consiste à combiner les symboles d'in- formation que l'on doit transmettre à une séquence pseudo-aléatoire à débit plus rapide, connue de l'émetteur et du récepteur A la récep- tion, l'opération inverse est effectuée de manière à restituer les sym- boles d'information initiaux utilisés à l'émission ou, à tout le moins, de manière à délivrer une estimation de ces symboles (compte tenu du bruit et du brouillage qui ont dégradé le message transmis). Plus précisément, les symboles d'information utilisés sont des symboles complexes correspondant à une modulation d'amplitude en quadrature, et comportant donc une partie réelle et une partie imaginaire constituée chacune d'un ou plusieurs bits d'in- formation. Ces symboles complexes se succèdent de façon ininter- rompue sous la forme d'un train de symboles de débit Ds, comme illustré figure 1. Le procédé d'étalement de spectre par séquence directe consiste à produire à l'émission, en même temps que les symboles d'information, des éléments (complexes) Cp, appelés dans la techni- que " chips ", d'une séquence pseudo-aléatoire récurrente Le débit De des chips est supérieur au débit Ds des symboles, le rapport Dp Ds = r étant appelé " gain d'étalement " (pour des raisons de com- modité, on choisit généralement pour r une valeur entière) La séquence complète comprend L chips, correspondant donc à une suc- cession de L/r symboles Une fois la séquence des chips C j achevée, elle est immédiatement réitérée pour être combinée aux symboles suivants. Le résultat de la combinaison entre symboles ai et chips CQ sera un train de symboles si, au débit D des chips, qui servira à moduler l'émetteur de communication. Le passage du débit D au débit D, supérieur, produit dans le domaine fréquentiel un étalement du spectre du signal transmis, c'est-à- dire que la bande de fréquence utilisée est r fois plus large que la bande de Nyquist correspondant à la transmission des seuls symboles d'information. Il en résulte: une plus grande immunité au bruit (dans un rapport voisin du gain d'étalement), une excellente résistance face aux brouilleurs, qui n'agiront que sur une fraction réduite du spectre, compte tenu de l'étalement de celui-ci, et une moindre détectabilité (pour une même énergie transmise, celle-ci est répartie sur une bande plus large et la densité spectrale de l'émission est donc plus proche de celle du bruit). A la réception, les symboles si obtenus en sortie de démo- dulation seront soumis à l'opération inverse de celle effectuée à la réception: on multiplie à cet effet les symboles si reçus au débit Dc par les conjugués Ci* des éléments C de la séquence utilisée à l'émission, également produits au débit D, puis en réalisant une sommation sur r résultats successifs; on restitue ainsi, au débit Ds = Djr, une estimation des symboles d'information initiaux ai (en l'absence de bruit et de brouilleurs, on reconstituerait exactement ces symboles). On supposera bien entendu que l'on a préalablement retrouvé la synchronisation entre émission et réception, c'est-à-dire que l'on sait reconnaître les instants de début des symboles succes- sifs. Ce décodage va ramener la bande élargie à sa largeur ini- tiale et, inversement, va étaler le brouilleur dans un rapport r (les échantillons du signal de brouilleur seront multipliés par les conju- gués des éléments de la séquence), ce qui va donc diminuer forte- ment sa densité spectrale et donc son effet perturbateur. Ce système procure une excellente protection à l'encontre des brouilleurs, mais il présente néanmoins l'inconvénient que, si ron utilise de façon permanente la même séquence, on accroît les risques d'interception et d'intrusion ennemie; tel est surtout le cas si la séquence est générée de façon simple à partir d'un petit nombre de chips élémentaires (ainsi, une séquence PN de longueur L = 1023 est générée à partir d'une clé de 10 bits seulement): il sera alors aisé pour un ennemi d'arriver à reconstituer cette séquence et à intercepter ou corrompre la liaison. Pour pallier ce risque, on prévoit généralement de chan- ger de séquence d'étalement en cours de transmission. Jusqu'a présent, dans toutes les techniques proposées à cet effet, on prévoyait d'avertir le récepteur du changement à venir, soit en interrompant la transmission des informations et en envo- yant un message pour prévenir du changement de séquence, soit en utilisant un canal parallèle, distinct de celui utilisé pour la trans- mission des informations proprement dites, afin de transmettre au récepteur l'information de changement de séquence. Ces solutions sont toutefois lourdes à mettre en oeuvre (nécessité d'un canal supplémentaire ou d'une liaison bidirection- nelle, gestion des ruptures de liaison, etc), ce qui a jusqu'à présent limité leur généralisation à ce type de transmission. L'un des buts de l'invention est de proposer un procédé de transmission à étalement de spectre et à changement de séquence permettant, avec une simple liaison unidirectionnelle, de transmettre au récepteur, en cours de transmission, des informa- tions de changement éventuel de séquence d'étalement, sans dégra- der ni interrompre cette liaison à l'instant du changement. L'un des buts de l'invention est également de proposer un tel procédé conservant une totale transparence aux informations transmises, c'est-àdire un procédé dans lequel on ne modifie pas le débit des informations et dans lequel on n'utilise pas, pour signaler le changement, de symboles spéciaux intercalés entre les symboles d'information proprement dits. A cet effet, l'invention propose de procéder à un mar- quage intrinsèque (c'est-à-dire sans addition de symboles spéciaux) de la séquence émise; le récepteur détectera alors le type de mar- quage et prendra une décision en fonction du marquage ainsi reconnu. L'absence de recours à des symboles spéciaux présente deux avantages: tout d'abord, il ne sera pas nécessaire de filtrer ces symboles spéciaux dans le flux des symboles d'infor- mation reçus; ce flux pourra donc être utilisé tel quel, sans traitement préalable spécifique; en second lieu et surtout, le changement de séquence pourra être détecté à un stade très avancé du proces- sus (par exemple directement après démodulation), ce qui permettra une action immédiate avant même que l'on n'ait procédé au décodage et au traitement du symboles. On pourra ainsi, avec un dispositif techniquement peu complexe et une simple liaison unidirectionnelle sans aménagement particulier, procéder à des changements de séquence immédiats, intervenant à des instants aléatoires décidés par le seul émetteur et sans que rien dans la liaison (interruption, émission de signaux parallèles, etc) ne laisse présager un changement de séquence imminent pour celui qui tenterait d'intercepter la liaison. La sécurité de la liaison sera ainsi accrue dans de très grandes proportions, et avec un coût d'équipement tout à fait minime. A cet effet, l'invention propose un procédé du type précité à étalement de spectre par séquence directe, c'est-à-dire dans lequel: à l'émission, on produit à un débit donné une sé- quence pseudo-aléatoire d'éléments complexes succes- sifs, que l'on multiplie chacun par le symbole com- plexe d'information arrivant concurremment à un débit inférieur, de manière à obtenir une succession d'éléments complexes résultants modulant une por- teuse, et à la réception, on multiplie les éléments complexes obtenus en sortie de démodulation par une séquence d'éléments complexes successifs constitués des élé- ments conjugués des éléments homologues utilisés à l'émission, les séquences d'émission et de réception ayant été préalablement synchronisées, et on somme sur la durée d'un symbole d'information les éléments complexes résultants se succédant sur cette durée, de manière à délivrer une estimation des symboles d'information initiaux utilisés à l'émission. Selon rinvention, ce procédé est caractérisé en ce que: - à l'émission, on utilise sélectivement l'une ou l'autre de deux séquences d'éléments complexes voisines, dif- férant seulement l'une de l'autre par un marquage intrinsèque, selon que la séquence suivante qui sera utilisée sera ou non la même que la séquence cou- rante, et -à la réception, on analyse les éléments complexes obtenus en sortie de démodulation de manière à en déterminer le marquage, et on décide de conserver la même séquence d'éléments complexes conjugués, ou de changer de séquence, en fonction du marquage que l'on a reconnu, les changements successifs de séquences se produisant à des instants aléatoires, déterminés par le récepteur en fonction de la seule analyse desdits marquages, mais selon un ordre déterministe, connu intrinsèquement par le récepteur. De préférence, le marquage réside dans la valeur attri- buée à une pluralité d'éléments prédéterminés de la séquence, ces valeurs étant choisies de manière à maximiser la distance entre les deux types de marquage. Les éléments prédéterminés de la séquence peuvent en particulier être au nombre de deux pour chaque symbole d'informa- tion Ces deux éléments prédéterminés de la séquence peuvent alors être de valeurs opposées dans le premier cas de marquage, et de même valeur dans le second cas de marquage. Pour déterminer le marquage, il suffit alors de calculer la somme quadratique, sur la durée de chaque symbole d'information, des distances respectives des deux éléments prédéterminés succes- sifs apparaissant pendant cette durée, et de comparer ce résultat à un seuil prédéterminé. L'invention concerne également un émetteur et un récep- teur de signaux numériques mettant en oeuvre ce procédé. On va maintenant décrire en détail l'invention, en réfé- rence aux figures annexées. La figure 1, précitée, illustre la manière dont sont combi- nés les flux respectifs de symboles et de chips. La figure 2 est un schéma par blocs d'un émetteur met- tant en oeuvre le procédé de l'invention. La figure 3 est un schéma par blocs d'un récepteur met- tant en oeuvre le procédé de l'invention. Sur la figure 1, comme on l'a indiqué plus haut, à chaque symbole ai correspond r chips complexes C 3 qui seront chacun multi- plié par la valeur (complexe) du symbole correspondant présent au même instant. Le marquage selon l'invention consistera à distinguer deux cas: le premier cas correspondra à une absence de change- ment de séquence, c'est-à-dire que la séquence sui- vante qui sera utilisée (après le Lième chip) sera la même que la séquence courante; le second cas correspondra à un changement de séquence après le Lième chip de la séquence courante, c'est-à-dire que la séquence suivante qui sera utilisée ne sera plus la même que la séquence courante. On peut à cet effet opérer sur la valeur de certains chips bien déterminés correspondant à chacun des symboles, par exemple les deux premiers chips C 1, C 2 de la sous-séquence de r chips corres- pondant au symbole ai, et de même pour toutes les sous-séquences suivantes; en d'autres termes, on va opérer sur la valeur de tous les chips complexes Cl+i r et C 2 +i r' avec i SE { 0, 1 (L/r)-1). On notera toutefois que le choix pour le marquage des deux premiers chips correspondant à chaque symbole n'est pas limi- tatif, et que l'on pourrait aussi bien choisir deux chips de rang quel- conque prédéterminé, ou un nombre de chips supérieur à deux, etc. Toutefois, comme on l'expliquera plus loin, l'utilisation d'un nombre de chips supérieur à deux risque de dénaturer inutilement la séquence, et donc d'amoindrir l'efficacité de la transmission d'infor- mations. Pour le marquage, on peut notamment choisir de donner au deuxième chip correspondant à chaque symbole une valeur oppo- sée à celle du premier, c'est-à-dire que l'on aura: C 2 +ir = Cl+i r dans le premier cas précité; et C 2 +i r = Cl+i r dans le second cas précité. Ce choix retenu présente l'avantage que, en mode " nor- mal " (absence de changement de séquence, qui est statistiquement le cas le plus fréquent), c'est la séquence du premier cas qui sera uti- lisée pour l'étalement et, sous sa forme conjuguée, pour le désétale- ment: ainsi, le marquage n'entraînera pas de diminution du pic de corrélation à la réception. La seule diminution de ce pic aura lieu lors de la sé- quence précédant immédiatement le changement: en effet, à ce moment, on aura utilisé la séquence du second cas pour l'étalement mais la séquence conjuguée du premier cas pour le désétalement. Toutefois, si l'on n'utilise qu'un faible nombre de chips de marquage par rapport au nombre de chips par symbole (par exemple si l'on n'utilise que deux chips de marquage pour un gain d'étalement r = 15), la diminution du pic de corrélation sera relativement faible et le traitement de régénération du signal permettra de rétablir sans difficulté le symbole d'origine. Le mode de marquage choisi (l'un des chips est soit l'opposé soit la copie d'un autre), bien qu'a priori non limitatif, et cependant particulièrement avantageux dans la mesure o il corres- pond à la distance euclidienne maximale entre les deux cas Ce prin- cipe de marquage à distance maximale permet ainsi de réduire à un minimum le taux de fausses décisions engendrées par le bruit et les brouilleurs. On voit par ailleurs que l'information de changement de séquence est très redondante, puisqu'elle est répétée sur tous les symboles d'une même séquence, soit L/r fois, ce qui lui donne une très grande résistance au bruit et aux brouilleurs (ce qui facilite éga- lement la synchronisation de la détection en réception). Ce nombre d'occurences de l'information de changement de séquence peut être modifiée sans sortir du cadre de l'invention; toutefois, en pratique, on constate qu'il est nécessaire que, typique- ment, r soit au moins égal à 10 et que le nombre d'occurences de l'information de changement de séquence dépasse 50. L'émetteur, illustré schématiquement figure 2, est de construction classique, avec un générateur de séquences 10 déli- vrant, parmi un jeu de séquences mémorisées, une séquence déter- miné, appliquée à un circuit combinatoire 11 effectuant l'opération de multiplication avec les symboles à coder La sortie de ce circuit combinatoire 11 constitue le signal numérique appliqué en entrée du modulateur d'émission 12. Par rapport à un émetteur classique à changement de séquence comportant un jeu de q séquences, l'émetteur de l'inven- tion dispose d'un nombre double 2 q de séquences, à savoir q séquences portant le marquage précité du premier cas et q séquences, homologues des précédentes, portant le marquage du second cas. Avant chaque changement de séquence, lémetteur utili- sera une séquence marquée selon le second cas, puis passera à la nouvelle séquence. Si nécessaire, on peut prévoir un " temps de garde " per- mettant de laisser le temps au récepteur de prendre certaines actions avant le changement de séquence. Dans ce cas, avant de changer de séquence, on utilisera d'abord une séquence marquée selon le second cas (pour prévenir le récepteur du prochain changement de séquence), puis une ou plu- sieurs séquences semblables mais marquées selon le premier cas (correspondant au temps de garde), puis on passera à la nouvelle séquence. L'enchaînement des séquences est déterministe, les q séquences s'enchaînant selon un ordre prédéfini, par exemple un bouclage circulaire, c'est-à-dire que, après la séquence Sp on utilise la séquence S Rp), avec f Rp) = (p+l) modulo q. A la réception (figure 3), on examinera les échantillons séquentiels successifs, reçus au débit D en sortie du démodulateur Ces échantillons séquentiels sont de la forme: r-1 s(k T)= a, E Ci r+j h(k T-(ir+j)T) + N(k T) + J(k T) i j=o T étant la période d'échantillonnage, ai étant le symbole d'information utilisé à l'émission, Ci.r+j étant le chip courant ayant servi à l'étalement, h(t) étant la réponse impulsionnelle de l'ensemble de la chaîne de transmission (prenant en compte tous les fil- trages, retards, etc) N(k T) étant l'échantillon résultant du bruit additif, et J(k T) étant l'échantillon résultant de l'émission du brouilleur. Pour reconnaître le marquage, on va extraire au moyen du circuit 21 les échantillons correspondant aux seuls chips mar- qués, c'est-à-dire lorsque k prend les valeurs ( 1 + i r) et ( 2 + i r). Ce traitement va être de type différentiel afin de s'affran- chir de l'incidence du changement de symbole ai qui intervient tout les r chips. Le circuit 22 va alors calculer la différence complexe s( 2 +i r) s( 1 +i r), et le circuit 23 va ensuite calculer le module Il s( 2 +i r) s( 1 +i r) 11 de cette différence complexe. L'accumulateur 24 va ensuite procéder à la sommation quadratique des modules ainsi calculés sur l'ensemble des symboles correspondant à une même séquence. On obtient en sortie une variable: (L/r)-1 v = 1 l I s( 2 + i r)s( 1 +i r) 112 i=O qui sera la variable de décision de changement éventuel de séquence de codage. Cette variable peut encore s'écrire: (L/r)-1 = I 1 s(m+ 1) s(m) I 1 2 (avec m = i r + 1) i=O (L/r)-i = ll ai (Cm+l-Cm) + (N(m+ 1) N(m)) + (J(m+ 1) J(m)) I l 2 i=o (L/r)-1 = 1 ai (Cm+l-Cm) + (N(m+ 1)-N(m)) + J O (ej (m+l)Tyre Jm T)) 11 2 i= O 2 étant la fréquence du brouilleur (on suppose que l'on se place dans le cas d'un brouilleur à porteuse pure, et on suppose éga- lement que les termes d'intersymbole sont nuls, c'est-à-dire que l'on a: h((m-n)T) = 3 mn). Cette variable de décision n'est pas la seule possible, et l'invention n'est pas limitée à ce choix En particulier, si l'on voulait privilégier la résistance au bruit plus que la résistance aux brouilleurs, on pourrait choisir une variable de décision différente, plus performante. L'espérance mathématique Elvl de cette variable de déci- sion v peut être majorée de la façon suivante, No étant la densité spectrale de puissance du bruit gaussien en bande de base: Elvl = l 1/((L Ir)-l)l, 11 s(m+ 1) s(m) I 1 2 m c L (E l I l (Cm+,-Cm) I 2 l + 4 No + J O 2 sin(n T/2)) La prise de décision (changement de séquence ou non) sera opérée par un circuit 25 effectuant la comparaison de Elvl avec un seuil correspondant à cette majoration. Ce circuit 25 commandera le changement éventuel de séquence du circuit générateur de séquence 26, qui contient un jeu de q séquences différentes, qui sont identiques à celle contenues dans le générateur 10 de l'émetteur et qui se succèdent selon la même loi déterministe. De façon en elle-même connue, la séquence délivrée sera combinée en 27 aux échantillons s(k T) issus du démodulateur, les résultats de cette combinaison étant ensuite soumis à des opérations classiques de traitement numérique, régénération, etc dans le cir- cuit 28. On notera que, en variante et sans sortir du cadre de l'invention, au lieu d'utiliser pour le critère de décision la différence des modules des échantillons marqués, on pourrait utiliser la diffé- rence des phases de ces mêmes échantillons Toutefois, une telle manière de procéder présente une moindre efficacité face aux brouilleurs. Également en variante, au lieu de prendre la décision en aval du module accumulateur 24, c'est-à-dire en attendant que les échantillons marqués correspondant aux L/r symboles successifs d'une même séquence aient été analysés, on peut envisager de prendre une décision intermédiaire avant sommation complète, c'est-à-dire en ne se basant que sur une partie des échantillons mar- qués (qui sont tous redondants) de la séquence. REVENDICATIONS 1 Un procédé de transmission de signaux numériques constitués d'un train de symboles complexes correspondant à une modulation d'amplitude en quadrature, ce procédé étant un procédé du type à étalement de spectre par séquence directe, dans lequel: à l'émission, on produit à un débit donné (Dc) une séquence pseudo-aléatoire d'éléments complexes suc- cessifs (C), que l'on multiplie chacun par le symbole complexe d'information (ai) arrivant concurremment à un débit inférieur (D), de manière à obtenir une suc- cession d'éléments complexes résultants (si) modulant une porteuse, et à la réception, on multiplie les éléments complexes (s(k T)) obtenus en sortie de démodulation par une séquence d'éléments complexes successifs (C *) consti- tués des éléments conjugués des éléments homologues utilisés à l'émission, les séquences d'émission et de réception ayant été préalablement synchronisées, et on somme sur la durée d'un symbole d'information les éléments complexes résultants se succédant sur cette durée, de manière à délivrer une estimation des sym- boles d'information initiaux utilisés à l'émission, caractérisé en ce que: -à l'émission, on utilise sélectivement l'une ou l'autre de deux séquences d'éléments complexes voisines, dif- férant seulement l'une de l'autre par un marquage intrinsèque, selon que la séquence suivante qui sera utilisée sera ou non la même que la séquence cou- rante, et -à la réception, on analyse les éléments complexes (s(k T)) obtenus en sortie de démodulation de manière à en déterminer le marquage, et on décide de conser- ver la même séquence d'éléments complexes conju- gués, ou de changer de séquence, en fonction du marquage que l'on a reconnu, les changements successifs de séquences se produisant à des instants aléatoires, déterminés par le récepteur en fonction de la seule analyse desdits marquages, mais selon un ordre déterministe, connu intrinsèquement par le récepteur. 2 Le procédé de la revendication 1, dans lequel le mar- quage réside dans la valeur attribuée à une pluralité d'éléments pré- déterminés de la séquence, ces valeurs étant choisies de manière à maximiser la distance entre les deux types de marquage. 3 Le procédé de la revendication 2, dans lequel lesdits éléments prédéterminés de la séquence sont au nombre de deux pour chaque symbole d'information. 4 Le procédé de la revendication 3, dans lequel les deux éléments prédéterminés de la séquence sont de valeurs opposées dans le premier cas de marquage, et de même valeur dans le second cas de marquage. Le procédé de la revendication 3, dans lequel, pour déterminer le marquage, on calcule la somme quadratique, sur la durée de chaque symbole d'information, des distances respectives des deux éléments prédéterminés successifs apparaissant pendant cette durée, et on compare ce résultat à un seuil prédéterminé. 6 Un émetteur de signaux numériques mettant en oeuvre le procédé de l'une des revendications 1 à 5, comprenant: des moyens ( 10) pour produire à un débit donné (D) une séquence pseudo-aléatoire d'éléments complexes successifs (Cj), des moyens ( 11) pour multiplier ces éléments com- plexes successifs par des symboles complexes d'infor- mation (ai) arrivant concurremment à un débit inférieur (Ds), de manière à obtenir une succession d'éléments complexes résultants (si), et des moyens modulateurs et émetteurs ( 12), alimentés par les éléments complexes résultants ainsi obtenus de manière à produire un signal à modulation d'amplitude en quadrature à partir de ces éléments, émetteur caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des moyens sélecteurs, pour utiliser l'une ou l'autre de deux séquences d'éléments complexes voisines, diffé- rant seulement l'une de l'autre par un marquage intrinsèque, selon que la séquence suivante qui sera utilisée sera ou non la même que la séquence cou- rante. 7 Un récepteur de signaux numériques mettant en oeuvre le procédé de l'une des revendications 1 à 5, comprenant: des moyens récepteurs et démodulateurs ( 20), déli- vrant à partir du signal reçu une succession d'élé- ments complexes (s(k T)), des moyens ( 26) pour produire des séquences d'élé- ments complexes successifs (C *) constitués des élé- ments conjugués d'éléments homologues utilisés à l'émission, des moyens ( 27) pour synchroniser les séquences ainsi utilisées à la réception sur les séquences homologues utilisées à l'émission, des moyens pour multiplier les éléments complexes (s(k T)) obtenus en sortie de démodulation par une séquence correspondante d'éléments complexes suc- cessifs ainsi produits et synchronisés, et des moyens sommateurs ( 28), pour sommer sur la durée d'un symbole d'information les éléments com- plexes résultants se succédant sur cette durée, de manière à délivrer une estimation des symboles d'information initiaux utilisés à l'émission, récepteur caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des moyens ( 21, 22, 23, 24) pour analyser les éléments complexes (s(k T)) obtenus en sortie de démodulation de manière à en déterminer un marquage introduit à l'émission, et des moyens sélecteurs ( 25), commandés en fonction du marquage ainsi déterminé de manière à conserver la même séquence d'éléments complexes conjugués, ou de changer de séquence, les changements successifs de séquences se produisant à des instants aléatoires, déterminés par le récepteur en fonction de la seule analyse desdits marquages, mais selon un ordre déter- ministe, connu intrinsèquement par le récepteur.