Brevet FR2685839A1 — publié le 19930702

i Procédé de modulation et de démodulation cohérent pour la transmission de données haut débit en HF La présente invention concerne un procédé de modulation et de démodulation cohérente pour la transmission de données haut débit en HF. Elle s'applique notamment à la transmission numérique de la parole par voie radio. Il est connu que les liaisons HF ionosphériques se propagent par réflexions sur les couches de l'ionosphère selon des trajets de propaga- tion multiples Du fait de la turbulence du milieu ionosphérique, le signal reçu pour chacun des trajets varie de façon aléatoire en amplitude et en phase Ceci provoque le phénomène d'évanouissement encore appelé "fading" du signal composite reçu Comme les temps de propagation sur chacun des trajets sont dissemblables, le signal reçu est formé de plusieurs composantes étalées dans le temps sur un intervalle qui peut atteindre plusieurs millisecondes D'autre part, les variations temporelles des hauteurs des couches ionosphériques provoquent des déviations fréquentielles qui se caractérisent par des décalages Doppler sur chacune des composantes du trajet multiple. Tous ces effets se conjuguent pour produire une distorsion du signal et dégrader la qualité de la liaison Il en résulte que les transmis- sions de données haut débit dans la gamme HF sont rendues particuliè- rement difficiles C'est pourquoi les modulateurs-démodulateurs paral- lèles encore désigné "modem" parallèle et transmettant un grand nombre de porteuses en parallèle, à faible vitesse de modulation, ont été historiquement introduits Le type de modulation le plus souvent utilisé est la modulation de phase différentielle à N états de phase (N-DPSK) qui permet de transmettre plusieurs bits par symbole sur chaque sous-por- teuse en utilisant une largeur de bande réduite. Le signal émis est alors formé par une suite de trames de durée T égale à environ 20 millisecondes, chaque trame étant constituée d'une somme de N sinusoïdes à fréquences multiples d'une quantité Df calculée de manière à assurer l'orthogonalité des sous-porteuses sur une durée de temps Tu inférieure à la durée de la trame T. La différence Tg = T-Tu définit un temps de garde qui permet d'éviter l'interférence inter- symboles sur la durée d'analyse Tu Ceci permet de séparer dans chaque trame les différentes sous-porteuses par une transformée de Fourrier et de les démoduler une par une La modu- lation utilisée sur chaque sous-porteuse est en général une modulation différentielle de phase à 2 ou 4 états L'un des premiers systèmes de transmission HF basé sur un mo- dem à forme d'onde parallèle est connu de l'article intitulé "Kineplex, a bandwith efficient binary transmission system" de MM MOSIER, RR, et CLABAUGH, RG, paru dans la revue AIEE Trans Part 1, commun and electron, 1958, 76, p p 723-728 Ce modem qui a été utilisé pour la transmission de données point à point, utilisait 16 sous-canaux au débit de 75 bauds avec une modulation différentielle à quatre états de phase. Le débit global atteint était de 1400 bits par seconde Un autre système dénommé "KATHRYN" qui a été développé par General Atronix en 1961 et dont une publication peut être trouvée dans la revue IEEE Transmis- sion de 1969, COM 17, p p 118 128 ayant pour titre "Field test result of the AN/GSC-10 digital data terminal" de MM KIRSHAL GRAY PR and HANNA, JR, DW, a permis d'effectuer une modulation de 34 sous-por- teuses à 75 bauds La modulation effectuée sur chaque sous-porteuse permettait de mesurer la caractéristique du canal de transmission pour chacune d'entre elles et de corriger la phase de chaque donnée utile Les bonnes performances de ce procédé sont limités cependant au fading lent et à un étalement des multitrajets qui n'excède pas une milliseconde. Un nouveau procédé multitons connu sous le nom "codem" fut par la suite développé en 1971 par General Atronix Ce procédé dont une description peut être trouvée dans la revue IEEE Trans 1973 COM 21 p p 159-174 sous le titre "A combinated coding and modulation approach for communication over dispersive channels" de M CHASE, D effectuait une modulation différentielle à états de phases sur une forme d'onde composée de 25 porteuses orthogonales avec un code correcteur d'erreur ( 25,16) à décisions pondérées basées sur les amplitudes des parties réelles et imaginaires du symbole permettait de réduire les effets du "fading" sélectif Des mesures effectuées sur ce procédé ont fait apparaître un gain en performance d'un ordre 2 par rapport à un modem 16 tons Les techniques utilisées par le procédé "codem" furent développées plus tard dans le cadre de la norme ANDVT (Advanced Neuroband Digital Voice Terminal) dont une description peut être trouvée dans l'article ayant pour titre "Modulation and coding study for the advanced neuroband digital voice terminal" de MM JEWET, WM and COLE, JR, R de NRL Mémorandum Report 3811, elles ont trouvé leur application dans un modulateur-démodulateur optimisé pour la transmission de phonie numérique à 39 tons espacés de 56,25 Hz avec une durée utile de trame égale à 17,8 ms, en modulation différentielle à quatre états de phase ( 4-DPSK) Dans ce modem chaque trame composée de 39 symboles est transmise au débit de 44,44 Hz ce qui correspond à une durée de 22, 5 ms se décomposant en 17,8 ms de trame utile et 4,7 ms de temps de garde Le débit global est d'environ 1733,3 bauds ou 3466,6 bit par seconde A 2400 bits par seconde, le débit supplémentaire est utilisé pour la protection avec une redondance de 2 des 24 bits les plus importants de la trame de phonie composée de 54 bits Dans ce codage, le temps de garde de 4,7 ms et un en- trelacement séquentiel sur les 34 tons permettent de lutter contre les effets de la propagation ionosphérique. Enfin en 1988 le groupe HARRIS RF Communication a mis au point un modem multitons dont une description peut être trouvée dans l'article intitulé "Advanced in HF technology" de MM LUHOWY, GJ and PER- KINS, FA déjà publié dans HARRIS Communication le 29 septembre 1983 basé sur une forme d'onde parallèle à 39 porteuses A 2400 bits par seconde un code de Reed-Solomon ( 14,10,2) et un entrelacement tem- porel permettent de minimiser l'influence des multitrajets Pour des débits plus faibles, des codes plus robustes sont utilisés Afin d'améliorer la précision de la référence de phase pour la démodulation de phase, le groupe HARRIS a aussi développé une technique appelée IPSK (Interpolated PSK) permettant de gagner sur les performances d'une démodulation différentielle classique Suivant cette méthode, les tons sont alternativement modulés avec des données utiles et des phases de référence En réception, l'information sur la référence de phase est extraite des tons de référence et un algorithme d'interpolation est utilisé pour obtenir les valeurs entre ces tons Les phases utiles sont détermi- nées par la différence entre les phases de référence interpolées et les valeurs des phases reçues. Si les traitements précités présentent l'avantage de pouvoir être mis en oeuvre de façon relativement simple, les performances qui sont obtenues sont toutefois limitées par un certain nombre de facteurs En premier lieu, l'amplitude de la forme d'onde émise n'est pas constante et il existe environ un rapport de 10 décibels entre la puissance crête émise et la puissance moyenne bien que ce résultat puisse être à nuancer dans la mesure o généralement le modem supporte un certain écrêtage à l'émission Il s'avère également que le modem est toujours très sensible au fading sélectif en fréquence produit par les trajets multiples car la fonction de transfert du canal peut toujours présenter des évanouisse- ments profonds à certaines fréquences qui conduisent à des taux d'erreur très importants sur les sous-porteuses correspondantes, bien qu'un codage correcteur d'erreur et un entrelacement fréquentiel permet- tent de lutter contre ce phénomène D'autre part, la démodulation diffé- rentielle entraîne toujours une perte de quelques décibels par rapport à une démodulation cohérente, cette perte étant d'environ 2 décibels en QPSK non codé sur un canal bruit blanc par exemple, bien que l'interpo- lation dans le modem de HARRIS permette de réduire cette perte Enfin, le manque d'informations de qualité au niveau de la démodulation em- pêche de faire un décodage pondéré de codes convolutionnels ou autres. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de modulation et de démodulation cohérent pour la transmission de données haut débit en HF du type consistant à transmettre en parallèle sur un nombre déterminé de canaux à bas débits des symboles d'information utiles, les signaux représentant ces symboles étant modulés suivant une modulation comportant un nombre déterminé d'états de phase, caractérisé en ce qu'il consiste à transmettre en parallèle sur l'ensemble des canaux des trames de symboles utiles et des trames de symboles de référence, en insérant entre chaque trame utile une trame de symboles de référence et en alternant chaque symbole de référence avec un symbole utile dans chaque trame de symboles de référence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins an- nexés qui représentent: La figure 1 un tableau de répartition des symboles de référence une trame sur deux relativement aux fréquences porteuses de chacune des trames. La figure 2 un dimensionnement temporel des trames. La figure 3 un mode de réalisation d'un modem selon l'invention. Les figures 4 A et 4 B des modes de réalisation des modules d'entrelacement et de désentrelacement de la figure 3. La figure 5 un organigramme pour illustrer le fonctionnement d'un démodulateur représenté suivant le schéma synoptique de la fi- gure 3. A la différence de ce qui est prescrit par la norme ANDVT citée précédemment, le procédé de modulation selon l'invention met en oeuvre une démodulation cohérente grâce à une transmission de sous-porteuses de référence connues du récepteur Cette disposition permet pour chaque sous-porteuse transportant une information utile, d'une part, d'estimer une référence de phase et d'amplitude ainsi qu'un niveau de bruit et d'autre part, de réaliser un décodage cohérent pondéré des codes convolutionnels classiques ou des modulations codées Dans l'exemple de réalisation décrit ci-après la protection contre le fading et les multitrajets est assurée par un entrelacement temporel à longueur va- riable et par une modulation à 8 états de phase ( 8 PSK) de redondance 4/3 qui protège comme dans le cas de la norme ANTDV les bits impor- tants de trames numériques transmises par des vocodeurs Ainsi dans le cas par exemple, des vocodeurs codés suivant la norme OTAN LPC 10, 2400 bit/s, o chaque trame comporte 54 bits, 41 bits étant affectés pour le codage des 10 coefficients du filtre de synthèse, 5 bits servant au codage de l'énergie sur 32 valeurs, 7 bits transmettant le voisement ou le pitch, et 1 bit servant à la synchronisation, les bits importants à protéger sont alors 6 bits de poids fort pour le pitch, 3 ou 4 bits de poids fort pour l'énergie, 2 à 4 bits de poids fort pour les quatre premiers coefficients du filtre de synthèse, ainsi que le bit de synchronisation, ce qui amène à protéger environ 21 bits. La transmission haut débit est assurée par la mise en parallèle d'un nombre suffisant de canaux à bas débits sur des fréquences adjacentes, l'intervalle fréquentiel entre chaque canal étant choisi pour assurer l'or- thogonalité des symboles. Dans le cas de la norme LPC 10 cela conduit à utiliser 41 por- teuses, 21 d'entre elles, les porteuses impaires par exemple ( 1, 3, 41) transportant des symboles de référence une trame sur deux de la façon représentée par le tableau des fréquences de la figure 1 et la répartition temporelles de ces fréquences de la figure 2, tous deux représentés sur deux trames successives Comme dans ce cas la durée d'une trame est de 22,5 ms, le débit de transmission obtenu est de 44,44 trames/seconde Le signal temporel correspondant est obtenu par une transformée de Fourier inverse de ces fréquences sur 128 points. Avec par exemple une fréquence d'échantillonnage de 7200 Hz, l'intervalle fréquentiel entre chaque porteuse est dans ces conditions de 56,25 Hz conduisant de la façon représentée à la figure 2 à une durée de trame utile Tu = 17,77 ms et à un temps de garde TG = 4,72 ms. Le signal émis pendant le temps de garde est obtenu en périodisant la zone utile afin d'éviter les discontinuités de phase aux limites de cette zone. Une structure de modem correspondante fonctionnant suivant ce principe est représentée à la figure 3 Le modem comporte dans la partie émission un module de codage 1, un module d'entrelacement 2 et un module de modulation 3 La partie réception comprend un module de démodulation 4, un module de désentrelacement 5 et un module de décodage 6 Les modules de codagel et de décodage 6 effectuent une modulation codée à 8 états de phase de redondance 4/3 pour protéger, comme dans le cas de la norme ANDVT les bits importants de chaque trame vocodée transmise Ainsi, si comme dans le cas de la norme LPC 10 21 bits dans chaque trame sont à protéger, ceux-ci donneront lieu à 21/2 symboles QPSK et à 14 symboles codés 8 PSK En prenant 2 trames vocodées de 108 bits à la suite celà permet de protéger les 42 bits les plus importants sur les deux trames La sortie du codeur 1 fournie dans ces conditions: 424 108 -42 _ 2 3 = 28 symboles 8 PSK protégés et 33 symboles QPSK 2 3 2 non protégés. Au total le codeur 1 fourni 61 symboles réparties sur 2 trames, 20 sur la première (sur les porteuses paires par exemple) et 41, sur la deuxième comme le montre le tableau de la figure 1 L'entrelacement qui suit est mis en oeuvre par le module d'entrelacement 2 composé de la façon représentée à la figure 4 A de (n 2 (n 1-1) registres à décalage référencés de 70 à 7 N 2 (nl 1) dont les prises sont situées aux multiples de (n 1-1) Le désentrelacement est effectué par le module 5 composé aussi de la façon représentée à la figure 4 B par un ensemble de N 2 (n 1-1)+ 1 registres à décalage reliés en série, référencés de 9 o à 9 N 2 (n-1) et d'un commutateur 10 reliant cycliquement l'entrée du module d'entrelacement aux différentes sorties des registres. Pour effectuer l'estimation du canal à partir de la première trame de référence transmise jusqu'à la dernière trame utile, l'ensemble des informations émises est précédé et suivi de 16 trames supplémentaires. Ces trames structurées comme les premières, contiennent une fois sur deux des symboles de référence pour estimer le canal en amont ou en aval de chaque trame à démoduler Les symboles de référence sont par exemple produit aléatoirement toutes les deux trames et stockés à la suite dans un fichier qui est lu lors de la démodulation. La récupération des signaux sur chacune des porteuses de la bande de transmission est effectuée par le module de démodulation 4 par une transformée de Fourier sur les 128 échantillons de la trame temporelle utile Ceci permet de disposer, une trame sur deux, d'informations concernant le canal sur les 21 porteuses impaires de référence Après estimation du, canal et du bruit à l'étape 4, le décodage effectué à l'étape 5 consiste à rechercher pour chaque symbole reçu le code qui rend minimum la relation XRéelle{ * o a est la valeur conjuguée du canal estimé Zi est le symbole reçu 2 est la variance du bruit et ai est le symbole de référence sur un chemin donné. Le schéma synoptique présenté à la figure 5 montre les diffrérentes étapes référencées de 11 à 17 de l'algorithme déployé Sur ce schéma 2 m représente le nombre de trames rajoutées en début et en fin de transmission pour estimer le canal L'acquisition des 4 m + 1 premières trames a lieu à l'étape 11 pour effectuer une première évaluation Cii du canal HF sur les porteuses de référence une trame sur deux, chaque valeur Cii étant obtenue par le quotient du signal Sref 1 j sur la porteuse de référence (pour j impaire et je 1,41 l avec une valeur de référence Refij connu du démodulateur Dans cette étape les signaux utiles Sut( 1 j) sont stockés à partir de la trame 2 m + 1. L'estimation du canal qui a lieu à l'étape 12 consiste à effectuer un filtrage temporel des valeurs Cji Ce filtrage consiste à rechercher les coefficients du filtre et le nombre d'entre eux qui rendent minimum l'erreur moyenne d'estimation Pour filtrer les premières valeurs du canal sur la première trame de référence transmise, il est nécessaire de disposer des 2 m trames supplémentaires qui précèdent celle-ci Parmi ces trames, une sur deux transporte des symboles de référence sur les 21 porteuses impaires. Si h(i) désigne les coefficients du filtre, la valeur moyenne Cmoy 2 m+ 1 J, obtenue à la sortie du filtre est définie par la relation Cmoy 2 m+ 1,j = h(i) C 2 (i+Ir'1 + 1,j i=-M pour j impair et compris entre 1 et 41. Comme une trame utile ne contient pas de porteuse transportant des symboles de référence, une interpolation temporelle sur les 21 porteuses d'ordre impair de cette trame est effectuée avec un nombre de coefficients du filtre moyenneur fixé à 2 m. Pour les mêmes raisons que précédemment, la dernière trame utile transmise est suivie de 2 m trames supplémentaires pour effectuer l'estimation du canal. Le filtrage fréquentiel qui est effectué à l'étape 13 consiste à effectuer sur chaque trame un filtrage fréquentiel sur chacune des porteuses Ceci est obtenu à l'aide d'un jeu de filtres dont le nombre de coefficients est variable en fonction de la position de chaque porteuse considérée dans la trame Sur les porteuses impaires qui fournissent des informations sur le canal, les filtres mis en oeuvre sont d'ordre impair. Pour les autres cas une interpolation fréquentielle est effectuée Ces filtres sont de type passe-bas Comme généralement le délai maximum des multi-trajets est de l'ordre de 2 ms seule la partie du signal comprise entre ces deux valeurs est retenue Ceci permet d'obtenir sur toute trame de rang 2 m + 1 une estimation du canal sur chacune des 41 porteuses. L'estimation du bruit a lieu à l'étape 14. Les valeurs de bruit instantanées sur les porteuses impaires d'une trame de référence sont déterminées par une relation de la forme b inst(i) = 1 Cj Canal ji avec Cj = valeur bruitée du canal sur la porteuse j et Canal j = valeur estimée du canal après filtrage sur la porteuse j pour j impair et compris entre 1 et 41. Ces valeurs de bruit instantanées sont ensuite filtrées par un filtre BF de Butterworth à bande étroite d'ordre 3. Pour une trame utile o il n'y a pas de signaux de référence qui permettent de déterminer les Cj, les valeurs du bruit sont estimées sur les 2 trames de référence entourant la trame considéré Une moyenne des deux estimations permet d'obtenir la valeur du bruit sur les porteuses impaires de la trame utile. Les valeurs sur les porteuses paires de la trame s'obtiennent aussi par le même type d'interpolation. On dispose ainsi, sur toutes les porteuses d'une trame de rang 2 m + 1, des valeurs Bruit (j) d'estimation du bruit j compris entre 1 et 41. L'estimation de la dérive Doppler qui est effectuée à l'étape 15 a lieu suivant un principe ressemblant à celui utilisé dans la norme A.N D V T Celle-ci est obtenue en effectuant une moyenne sur l'ensemble des porteuses des différences de phase trouvées entre 2 trames successives sur l'estimation du canal Il est supposé dans ce cas que les variations de phase dûes au fading sont faible. Le signal de phase bruité sur la trame i est alors Nporteuses Canal Canal Signal de phase Le bruit étant supposé constant entre 2 trames successives. Ce signal est ensuite filtré par un filtre complexe de Butterworth d'ordre 3 dont le produit Fc Te (fréquence de coupure période d'échantillonnage) est très faible. L'estimation de la dérive trame par trame qui est ainsi obtenue reste relativement lisse, et s'exprime par la relation oi Dérive () = 2 ir T Dans laquelle O i est la phase de signal de phase filtré sur la trame i et T est la période trame (T = 22 5 ms). Le calcul et le stockage des produits sur la trame de rang 2 m + 1 effectué à l'étape 16 a lieu à partir des valeurs du canal et du bruit sur chacune des porteuses Ce calcul a lieu suivant la relation * Pr od ( 2 mn+ 1, j) = Sut 2 m+î, 1 Canal 2 m, 1 Bru it 2 m+ 1,j pour j compris entre 1 et 41 Sut ( 2 m + 1), j est le signal utile sur la trame 2 m + 1 et la porteuse j, Canal* 2 m + 1, j est la valeur conjuguée du canal dans les mêmes conditions et Bruit 2 m + 1, j est le bruit dans les mêmes conditions. 1 1 REVENDICATIONS 1 Procédé de modulation et de démodulation cohérent pour la transmission de données haut débit en HF du type consistant à transmettre en parallèle sur un nombre déterminé de canaux à bas débits (F 1 F 41) des symboles d'information utiles, les signaux représentant ces symboles étant modulés suivant une modulation comportant un nombre déterminé d'états de phase, caractérisé en ce qu'il consiste à transmettre en parallèle sur l'ensemble des canaux des trames de symboles utiles et des trames de symboles de référence, en insérant entre chaque trame utile une trame de symboles de référence et en alternant (F 1, F 3, F 5 F 41) chaque symbole de référence avec un symbole utile (F 2, F 4 F 40) dans chaque trame de symboles de référence. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à évaluer ( 11) le canal HF sur les porteuses des canaux HF transportant les symboles de référence, en effectuant pour chaque symbole de référence émis le rapport (Cij) entre la valeur (Srefij) du signal qui lui correspond et une valeur de référence connue (Ref). 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer ( 14) les valeurs de bruits instantané en effectuant pour chaque canal le carré de la différence entre sa valeur bruitée et sa valeur estimée filtrée. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer un filtrage temporel ( 12) des valeurs estimées des canaux sur chacune des porteuses en calculant les coefficients du filtre qui rendent minimum l'erreur moyenne d'estimation. 5 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le filtrage temporel est suivi d'un filtrage passe-bas fréquentiel ( 13). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à estimer la dérive Doppler ( 15) du signal reçu sur un canal en effectuant une moyenne sur l'ensemble des porteuses des différences de phase trouvées entre deux trames successives relativement à la valeur de bruit estimée du canal.