Brevet FR2681199A1 — publié le 19930312

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR MULTIPLEXER DES SIGNAUX DE DONNEES. La présente invention se rapporte aux systèmes de communications par satellite et en particulier Ci un sys teme de communications a accès multiple par réparti- tion a codes (CDMA) qui permet de transmettre des données dans une largeur de bande limitée. Les satellites de communications sont déja largement utilises pour la transmission de données. Or, les possibilités offertes par la microélectronique ouvrent de nouvelles applications pour les satellites de communications, par exemple la transmission numérique du son et les communications par terminal mobile et par terminal individuel a très faible ouverture (VSAT). La radiodiffusion numérique du son en particulier s'avère très prometteuse et suscite un intéret considérable dans l'industrie des télécommunications. Le succès de ces nouveaux services de communications par satellite est cependant lié aux performances qui peuvent etre réalisées, à une bonne utilisation des équipements embarqués à bord d'un satellite et à une ingénierie adé quate pour les terminaux au sol.Un élément essentiel qui conditionne la complexité et le rendement du système de communicatiOns pr satellite est lc système d'accès au réseau. Par FR-A-8910481 est connu un système de communica- tions a accès multiple par répartition a codes dans lequel la porteuse de transmission est activée par la voix de 11 usager et dans lequel la synchronication est effectuée au moyen d'un code pilote. La cl de ce système réside dans le mode de synchronisation des terminaux d'usagers qui est différente dans la liaison aller et dans la liaison retour. Dans la liaison aller, la synchronisation est obtenue par la transmission d'un code pilote sans interruption.Dans la liaison retour vers le satellite, la synchronisation est assurée par un processus d'alignement basé sur une activation forcée de la porteuse de transmission par la voix de l'usager et la sélection d'un code d'usager déduit par décodage d'un élément contenu dans le code pilote. Le procédé d'accès multiple mis en oeuvre dans ce système connu impose une période de code égale å la durée de symbole si l'on veut réduire efficacement le bruit interne, C'est ce que montre une étude " Perfor- mance Evaluation Of Synchronous Code Division Multiple Access (5.CDMA) For Satellite Mobile Systems" par R. De Gaudenzi, C. Elia, R. Viola, publiée dans "Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM' 90", San Diego, Californie, 2-5 décembre 1990, Ce procédé connu permet d'améliorer l'efficacité d'un système de communications à accès multiple par répartition à codes en réduisant le temps d'acquisition des signaux à spectre étalé dans les circuits de rEcep- tion. Toutefois, deux problèmes essentiels furent relevés. Le premier problème résidait en ce que l'utilisation d'un code synchronisé empechait l'utilisation d'un système de correction d'erreur efficace. En fait, l'emploi d'une correction d'erreur équivalait a une perte de capacité de transmission par suite de la réduction de la période de code et par conséquent du nombre de codes. Le deuxième problème residait en ce que les codes Gold préférentiellement en phase étaient limités en nombre, et en conséquence le nombre maximum de canaux se trouvait réduit d'un facteur deux lorsque deux codes d'étalement étaient utilisées. De sérieuses limitations de code furent également notées dans le cas d'une réutilisation de fréquence. Il a été constate par la suite que les performances de la technique d'accès multiple à répartition par codes pourraient etre améliorées en combinant la technique de synchronisation par code pilote, tel que proposé dans le procédé connu précité, avec l1utilisation de codes Gold synchronisés. Toutefois, l'utilisation d'un code synchronisé empêche l'usage d'un système de correction d ' erreurs efficace car la mise en oeuvre d'un systeme de correction d'erreur équivaut à une perte de capacité de traitement due à la réduction de la periode de code et par conséquent du nombre de codes disponibles En outre, des etudes (J.L.Massey, T. Mittelholzer Technical Assistance For the CDMA Communication System Analysais, Final Report, Institute for signal and Information Processing CH-8092 ETH, Zurich, Septembre 1990) ont révélé que les codes Gold pouvant tre utilisés sont limités en nombre et en conséquence le nombre maximum de canaux est réduit par un facteur deux Si des codes indépendants sont utilisés S'il est ainsi apparu que dans un procédé d'accès multiple par repartition a codes l'utilisation de codes Gold préférentiellement en phase, c'est-à-dire des codes Gold ayant une corrélation mutuelle minimale est une solution avantageuse, il n'en. est plus de même cependant dès lors qu'il s'agit d'un système d'accès multiple avec synchronisation par code. Ces limitations rendent difficile l'utilisation du système d'accès multiple par répartition a codes avec synchronisation par code pour les applications commerciales d'un système de communications par satellite, telles que par la tronemiooion numérique du son ou les communications par terminaux terrestres. La présente invention a pour but d'éviter les limitations imposées a l'emploi de codes synchronisés dans un système d'accès multiple par répartition à codes, et à cet effet, elle propose un système d'accès multiple par répartition ê codes radicalement nouveau, Cet objectif est atteint grace a l'invention par un procédé et un dispositif pour raultiplexer des signaux en vue de leur transmission avec un débit donne par un systeme de communications par satellite avec accès multiple par répartition a codes dans une bande de fréquences de largeur minimum, moyennant des équipe ment s au sol et embarqués à bord du satellite ayant un encombrement réduit et une puissance faible. Conformément à l'invention, les signaux de données entrants sont d'abord codés individuellement de manière que chacun d'eux soit représenté par un symbole distinct appartenant à une constellation de N symboles associés à N points distincts, générant ainsi un train de bits I en phase avec le signal entrant et un train de bits Q en quadrature de phase avec le signal entrant. A chacun des trains de bits précités est attribuée une signature au moyen d'un code d'étalement distinct constitué d'une suite binaire de longueur prédéterminée dérivée de préférence d'un code Gold préférentiellement en phase, les codes d'étalement distincts des deux trains de bits précités étant des codes quasi-orthogonaux.La largeur de bande des signaux résultants est alors limitée par filtration et modulation d'une porteuse puis les deux signaux en bande de base sont introduits dans un modulateur classique dans lequel ils modulent une porteuse de maniera bien connue en soi. A l'extrémité réception d'une liaison, le signal peut etre reçu dans un récepteur numérique de faible complexité. La fréquence de la porteuse et la phase du code sont maintenues en synchronisme grace a une technique de synchronisation appropriée quelconque sauf dans le cas d'une liaison point-multipoints comme c'est le cas pour la radiodiffusion du son car dans ce cas la synchronisation est assurée automatiquement. Le système selon l'invention présente les avantages suivants 1. I1 permet d'utiliser de façon optimale la puissance et la largeur de bande des transmetteurs/récepteurs pour des satellites à faisceau unique ou à fais ceaux multiples 2. I1 assure une qualité de transmission élevée avec des stations mobiles ou portables, quelles que soient les conditions de propagation, même dans des conditions hostiles, pat suite du faible niveau d' interférences 3. Il s'adapte a des régimes de trafic très fortement variables, c'est-a-dite que les performances sont les mêmes pour des conditions de fort trafic et de faible trafic et pratiquement sans dégradation dans des conditions non nominales. 4. I1 convient pour diverses applications diffusion numérique de la voix ou du son, transmission de données, transmission mixte 5. I1 s'adapte à des configurations de réseaux diver ses : réseau en étoile, à plusieurs étoiles ou par tiellement maillé 6. IL satisfait aux exigences de densité de flux d'énergie (PFD) pour des terminaux d'utilisateurs assurant une interférence RF minimale avec d'autres services. Le système d'accès multiple conforme a l'invention trouve une application particulière avantageuse dans le cadre du système de radiodiffusion numérique. Parmi d' autres applications on peut citer notamment les réseaux de communications par satellite avec microterminaux (terminaux à très faible ouverture) et les systèmes radiophoniques cellulaires. L'invention est exposée plus en détails dans ce qui suit à l'aide des dessins joints. La figure 1 est un schema par blocs d'un circuit de multiplexage exemplaire selon l'invention La figure 2 est un schéma par blocs d'un récepteur numérique exemplaire. La figure 3 illustre schématiquement une application typique exemplaire du systeme d'accès multiple selon 1' invention. Le principe à la base du procédé selon l'invention consiste a associer chaque bit d'information du signal de données entrant à un point distinct d'une constellation de signaux de N points. Pratiquement, ce principe se trouve mis en oeuvre au moyen d'un Circuit comprenant essentiellement un codeur linéaire suivi d'un modulateur par déplacement d'impulsion d'ordre N (N-PSK). La figure 1 montre un schéma fonctionnel par blocs d*un circuit exemplaire.Le codeur 11 reçoit le train de p/m log2N bits de signal d'entrée DS et génère log2N symboles pour chacun des p/m log2N bits d'entrée. te sortie du codeur 11 est appliquée à un modulateur N-PSK 12 d'après un programme de codage prédéterminé avec un débit de symboles Rs'. A la sortie du modulateur 12 sont produits deux trains de bits complexes I et Q en bande de base, cheminant avec un Rs' m Rb débit de symboles Rs = = # log2N p log2N où Rb est le débit des bits. La manière dont les symboles codes sont associés aux points de la constellation PSK est choisie de manière à optimiser le rendement du système. L'objectif est de maximiser la distance euclidienne entre les signaux transmis. On peut par exemple adopter un codage trellis. Il est particulièrement intéressant de noter qu'en adaptant le procédé de codage/modulation proposé conformément & l'invention pour aménager l'accès multiple, il est possible de tenir compte d'un large eventail de conditions d'applications particulières afin d'accroître la largeur de bande et/ou le rendement spectral, et cela pratiquement sans ou avec un minimum de modification aux modems. une constellation avec codage Trellis 8 PSR avec 8 états, par exemple. procure un accroissement de rendement d'environ 3 dB avec un taux d'erreur binaire BER de 10-5, c'est-à-dire sans perte de capacité. Un autre avantage de ce codage est une meilleure insensibilité aux distorsions non linéaires des amplificateurs et aux effets d'interférence. De plus, les erreurs ê la sortie du décodeur se produisent par giclée. Ce type d'erreur peut aisément etre corrigé dans le décodeur. Des constellations plus complexes, telles que 16 PSK codé avec r=2/3 par par exemple, peuvent procurer un gain de puissance par rapport fi une constellation 8 PSK non code avec la même capacité. Les signaux résultant à la sortie du modulateur 12 sont les composantes en phase I et en quadrature de phase Q. Dans deux multiplicateurs 13 et 13' dans les trains de bits I et Q sont signés individuellement au moyen de deux codes d'étalement quasi-orthogonaux séparés C1 et CQ produits par un générateur de codes 14 de manière à produire deux trains de bits étalés constituant deux blocs. Ces codes d'étalement sont des suites binaires de longueur L, Afin de minimiser la corrélation croisée mutuelle entre les différents usagers, on choisit de préférence une période de code L/Rc égale à la période de symbole l/Rs. Le rythme et la fréquence dans le modulateur sont contrôlés par une référence de synchronisation (connue en soi) du syste- me de communications. Ce signal de synchronisation commun à tous les signaux transmis dans la largeur de bande représente une reference précise qui, si elle n'est pas modulée, n'est pas effectée par les pertes de modulation de données. La longueur des codes d'etalement CI et CQ est un pa ramette important qui conditionne les performances du système en ce qui concerne le bruit interne et le décalage dans le temps d'un bloc étalé. Afin de maintenir le bruit interne faible, il est important de limiter le décalage dans le temps à +/- 0,1 Tc (Tc représente la durée d1un bloc étalé).Une étude effectuée sous contrat pour le demandeur a démontré que le code d'étalement optimal doit être choisi dans des familles de codes Gold ayant une corrélation croise mutuelle minimum En prévoyant différents polynomes pour générer des familles de codes il est possible de générer plusieurs familles de codes Gold ayant une corrélation croisée quasi-orthogonale avec les codes de la même famille et une corrélation pseudo-aleatoire avec les codes d'une famille différente. Cette manière de faire est parti culièrement avantageuse dans le cas d'un satellite de communications & plusieurs faisceaux cat il est alors possible d'assigner un code appartenant à une famille différente a chaque faisceau de manière a réduire le bruit induit par un faisceau adjacent. Malheureusement, le nombre de familles qui peuvent ainsi étire générées dépend de la longueur du code. Avec un code de faible longueur il est cependant possible d'augmenter le nombre de codes en réutilisant une version inverse de chaque signature. On peut montrer que le nouveau code présente les memes caracté- ristiques que le code Gold et les mêmes propriétés de corrélation croise pseudo-aleatoires que la famille d'origine. La facuité de généror des séries de codes est utile dans un signal radiodiffusé par exemple. En foit. il est possible d'attribuer un sous-ensemble quesi-ortho qonal donné à la branche 1 et un sous-ensemble guasiorthogonal différent à la branche Q- L'isolement entre les branches I et Q est ainsi assuré égal à la corrélation croisêe de codes alèatoires. Les trains de bits r I Q étalés résultant à la sortie des multiplicateurs 13 et 13' sont des signaux multiniveaux. Ceux-ci sont mia en forme dans deux fittres de mise en forme 15, 15' puio, ils sont appliqués sêparément à des modulateurs 16, 16' (connus en soi) où ils modulent respectivement les composantes en phaec et en quedreture de phass d'une porteuse produite par un génératour local 17. Les deux signaux modu- les sont alors additionés dans un additionneur 18 avant d'être convertis dans la bande de fréquences intermédiaires de manière connue en soi. A l'oxtrèmitè rèception d'une liaison, la réception des signaux est assurèe au moyen d'un récepteur numérique de faible complexité. Divers modes de réalisa tion sont possibles. La figure 2 montre un schéma par blocs exemplaire. Le circuit du récepteur comprend une partie travaillant à la cadence du débit des blocs Rs et une partie travaillant d la cadence du doit des symboles Rs. Le récepteur comprend essentiellement deux chaînes de démodulation distinctes, l'une 301 traitant le signal pilote et l'autre 302 traitant la signal de données utile, ces deux chaînes ayant une entrès commune. Après transposition cohérente dans la bande de base à l'aide d'un démodulateur 31, chaque signal est filtré dans un filtre adapté 32, puis numérisé dans un échantillonneur 33 à la cadence d'un échantillon par bloc. Le désétalement du signal se fait ensuite par multiplication des échantillons avec les répliques locales des codes d'étalement CI et CQ dans les multiplicateurs 34, fournissant ainsi des suites d'échanlillons complexes. Ce générateur de codes local 38 est contrôlé en phase par une unité logique de poursuite et d'acquisition 39 comme décrit dans "Chips Timing Synchronization in All Digital Band-limited DS/SS Modem par R. de Gaudezi, M. Luisc, R. Viola, Proceedings of IEEE, International Comm. Conference ICC '91, Denver, Colorado, USA. June 23-26. 1991. Après accumulation ur une période de symbole dans les sommaleurs 35, les éçnantillons désétalés sont échantillonnés dans un échantillonneur 36 à la cadence d'un échantillon par symbole. Les échantillons I et Q obtenus sont alors décodés dans un décodeur Trellie N-PSK 37 fonctionnont à la codence des symboles. Afin de ne pas dégrader les pertormances lorsque des codon Cold élargis sont. utilisés, il importe d'assurer une synchronisation des terminaux avec une erreur inférieure a -/- 0,3 blocs. Dans le cas d'une transmission point-mulitipoints (comme c'est le cas pour la radiodiffusion du son), la synchronication est assurée par la transmission d'une référence verc tous les terminaux. Dans la liaison aller, te démodulateur usager 38 pourrait par exemple utiliser l'horloge centrale comme rétérence de tomps pour le canal tuile. La perle de corrélation par suite d'une synchronisation imparfaite entre l'horloge centrale et le signal usager doit être maintenue à un minimum. Dans la liaison retour, chaque code d'étalement est poursuivi individuellement dans de récepteur. Let fréquence doit également etre contrôléc de taçon très ecrréc dans une plage prédétermines (@/- 6.10-2 Rb par exemple|. Dans le cas d'une transmission multipoints-multipoints par exemple dans un réseau de micro-terminaux (M VSAT), il y a lieu d'adopter une technique de synchronidation plus élaborée En général, la technique de synchronisation s'est avérée non critique dans la pratique. En Fait, la cadence des blocs (chip rate} est normalement maintenue faible ( 3 M blocs/8). De plus, le fait que quelques tcrminaux aient nors synchroni- sation ne provoque pas de consèquences catastrophiques pour le réseau. Diverses techniques de synchronisation pouvent ôtre utilisées dans un système quasi-synchrone. La présence d'une rêtérence disponible à tout les terminaux d réseau suggére d'utiliser une technique de synchronisation maître-êselave lelle que décrite por exemple dans l'ouvrage "Telecommunication System Engineering", por W.C. Lindsley et H.K. simon, Prentics Hall. Englewood Clitts NJ., 1973. La surveillance du niveau du signal pilote aux terminaux est un moyen utile pour assurer lc réglage ae puissance cn bouclc ouverte. Une tois que le code pilote cot correctement synchronise au démodulateur usager, le processus de synchronisation se poursuit par la correction de l'hoiloge transmetteur afin de compenser les variations du délai dc propagation. On peut distinguer deux types de synchronisation en boucle fermée. Dans une boucle fermée centralisée, la synchronisation au terminal éloigné est assistée par une station de centrale. Dans une boucle fermée locale, le terminal assure de façon autonome l'alignement en recevant son propre écho renvoyé par le satellite. L'écho est comparé à la réplique locale et le signal d'erreur engendré est proportionnel au retard estimé. Pour réduire & un minimum le nombre de circuits de poursuite, la poursuite du retard peut entre effectuée en boucle fermée. L'erreur de synchronisation est déterminée a la station centrale (Hub Station) et transmise au terminal mobile au moyen du canal de communications. Pour de petites stations terriennes, la synchronisation n'est pas critique et peut être effectuée en mode local ou en mode centralise. Le procédé de multiplexage selon l'invention permet de réaliser des systèmes de communications par satellite parfaitement bien adaptés pour les applications com- merciales futures grace aux modems peu complexes et peu couteux dont peuvent être équipées les stations terminales, et qui réalisent une démodulation cohEren- te des signaux reçus avec des pertes faibles (1-2 dB seulement De plus, grace à un rendement spectral et énergétique élevé, le procédé selon l'invention permet de mettre en place des réseaux comprenant de petites stations terminales capables de traiter des données avec un débit de quelques centaines de Kb/s par canal, par exemple des petits terminaux V-SAT et des stations mobiles. La figure 3 représente schématiquement un reseau typique exemplaire qui peut étre implanté en mettant en oeuvre le procédé de multiplexage selon l'invention. Le réseau permet d'interconnecter un grand nombre de micro-termanaux MT avec plusieurs stations centrales V-SAT au moyen de canaux de communications relayés par un satellite géostationnaire SG. Le contrôle et la coordination du réseau se font par une station de coordination NCS. Certains des ro-terminaux MT peuvent être des stations mobiles. Les communications peuvent etre établies, grace a l'invention, avec des performances excellentes. Une simulation a permis d'analyser les performances qui peuvent être attendues grace à l'invention. Les diagrammes des figures 4 et 5 ci-annexés représentent la variation de la probabilité d'erreur en fonction du rapport signal/ bruit pour deux modes de codage Trellis, à savoir : 8UQO/CDMA et 8TCQO/CDMA. On observe que le rendement spectral plus élevé du codage 8UQO/CDMA se paie par une énergie additionnelle d'environ 6,2 dB pour réaliser un taux d'erreur binaire BER de 10 5. Il a été déterminé que les performances obtenues restent relativement constantes quelles que soient les longueurs du code d'étalement. Ajoutons que la facilité de maintenir la synchronisation entre les terminaux transmetteur et récepteur permet de réaliser des modems peu complexes qui conviennent particulièrement pour de petits terminaux. De plus, la simplicité et la compacité des modems terminaux est particulièrement avantageuse dans l'implan- tation d'un réseau de radiodiffusion du son numérique car, dans ce cas d'application typique d'un réseau point-multipoints, la synchronisation peut etre assurée en utilisant une référence propre au système de transmission lui-même, en particulier le code pilote du système d'accès multiple CDMA comme évoqué dans ce qui précède, Il est entendu que les modes de réalisation décrits dans ce qui précède sont des exemples donnes à titre illustratif et que l'invention n'est nullement limitée à ces exemples. Toute modification, toute variante et tout agencement équivalent doivent etre considérés comme compris dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dans un système de communications par satellite avec accès multiple par répartition à codes, procédé pour multiplexer des signaux de données destinés a etre transmis vers plusieurs stations terminales éloi gnées par modulation d'une porteuse par déplacement de phase, caractérisé en ce que, avant de moduler la por teuse de transmission. chaque signal de données binaire se trouve codé individuellement en un symbole dis tinct appartenant à une constellation PSK de N symboles associes a N points distincts de manière à produire deux trains de signaux binaires ('i, Q), le premier train de signaux binaires (I) étant en phase avec le signal entrant et le second train de signaux binaires IQ) étant en quadrature de phase avec le signal entrant, et en ce que chacun des deux trains de signaux binaires (I, Q) précités est affecté d'une signature propre par combinaison avec un code d'étalement distinct (C1, CQ), de manière à produire deux trains de signaux composites étalés destinés a etre appliqués chacun à un modulateur, les deux codes d'étalement (CI, CQ) précités étant en corrélation croisée quasi-orthogonale. 2. Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que les codes d'étalement (CI, CQ) sont des suites de signaux binaires dérivées d'un code Gold préférentiel- lement en phase. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les codes d'étalement (CI, CQ) appartiennent à plusieurs familles de codes, les éléments de chaque famille présentant une corrélation croisée quasi- orthogonale avec les autres éléments de la mime famille et une corrélation pseudo-aleatoire avec les codes appartenant a. une famille différente. 4. Dispositif pour multiplexer des signaux de données, caractérise en ce qu'il comprend un codeur linéaire f agencé pour recevoir les signaux de données provenant d'une source de données, et pour générer un train de signaux binaires codés, un modulateur â déplacement de phase à N phases (12) agencé pour recevoir le train de signaux binaires codés dudit codeur linéaire (11) et pour produire deux trains de signaux binaires (I, Q > distincts, le premier train de signaux binaires (I) étant en phase avec le train de signaux binaires entrant tandis que le second train de signaux binaires (Q) est en quadrature de phase avec le train de signaux binaires entrant, deux dispositifs (13, 13') connectés chacun a une sortie distincte du modulateur à déplacement de phase (12) pour combiner le train de signaux binaire (I, Q) avec un code d'étalement distinct (CI, C0) de maniere à produire chacun un train de signaux binaires composite étalé destiné à moduler une porteuse de transmission, les deux codes d'étalement (CI, CQ) étant en corrélation croisée guasi-orthogonale, et un générateur de codes d'étale- ment (14) agencé pour générer les deux codes d'étalement (CI, CQ). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un filtre de mise en forme (15, 15') est connecté à la sortie de chacun des dispositifs de combinaison (13, 13') précités.