Brevet FR2710219A1 — publié le 19950324

DISPOSITIF DE RECUPERATION DU RYTHME D'HORLOGE ET MODEM COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF Description La présente invention concerne un dispositif de récupération du rythme d'horloge d'un système émetteur pour un système récepteur disposant d'une horloge destinée à échantillonner un signal reçu, et comportant des premiers moyens permettant d'extraire du signal reçu le rythme d'horloge du système émetteur pour en déduire tout décalage entre les horloges desdits systèmes. Ces premiers moyens sont décrits au chapitre 6.3 de l'ouvrage de M.Stein intitulé "Les modems pour transmission de données" publié chez Masson en 1987; et ils sont représentés sur la figure 1. Ils consistent à filtrer le signal reçu (dont le spectre en fréquence est donné par S(f)) autour des fréquences f1-1/2T et f1+1/2T (fl étant la fréquence porteuse associée au signal reçu, et T étant le rythme baud du système émetteur), puis à multiplier les signaux obtenus en sortie des deux filtres FL1 et FL2 de façon à obtenir la somme et la différence de leurs composantes spectrales. Un filtrage FL3 autour de la fréquence 1/T permet alors de récupérer une sinusoïde He(t) représentant le rythme d'horloge du système émetteur. Le décalage entre les deux horloges est ensuite obtenu à partir du signe du premier échantillon de chaque période de la sinusoïde He(t). Toutefois, ces moyens, bien que robustes, présentent une gigue de rythme non négligeable. Et leurs performances se dégradent nettement sur les lignes à fort affaiblissement, ou pour les spectres à forts coefficients de débordement. En particulier, ces moyens donnent des résultats insuffisants pour des vitesses de transmission élevées impliquant l'utilisation, pour la modulation, d'une constellation qui contient un nombre important de points. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de récupération du rythme d'horloge qui fournisse un rythme stable et précis à long terme au système récepteur. Pour cela, un dispositif selon l'invention et tel que décrit dans le paragraphe introductif est caractérisé en ce qu'il comporte également des seconds moyens permettant d'estimer le décalage entre les horloges desdits systèmes en asservissant une fonction coût du type I(n) = KT (n) + N où - K est une constante, - N est un bruit, - T (n) est le décalage entre les horloges des systèmes émetteur et récepteur au nème symbole, et en ce qu'il dispose de moyens de surveillance qui commandent alternativement l'utilisation des seconds moyens puis une utilisation combinée des premiers et des seconds moyens. Les performances de ces seconds moyens sont relativement indépendantes de l'affaiblissement de la ligne puisque ce dernier est compensé par un égaliseur. Toutefois l'égaliseur, qui est adaptatif, a tendance à compenser le décalage entre les horloges des systèmes émetteur et récepteur en se décalant légèrement, ce qui se traduit par une dérive à long terme de l'estimation du décalage par les seconds moyens. Les moyens de surveillance permettent alors d'actionner les premiers moyens pour corriger la valeur moyenne du rythme d'horloge. Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif selon l'invention, la fonction coût est choisie du type I(n) = Re{[e(n+l)-e(n-l)].a (n)} où - Re{.} représente la fonction partie réelle de l'expression entre accolades, - e(n) est une erreur relative au nème symbole transmis, - a (n) est l'expression conjuguée du nème symbole émis a(n). Cette fonction coût, qui utilise une erreur relative au nème symbole transmis, permet d'obtenir un bruit N relativement faible. De plus, elle présente des facilités d'implantation puisque l'erreur nécessite moins d'éléments binaires pour son codage que le symbole lui-même par exemple. De manière avantageuse, cette utilisation combinée des premiers et des seconds moyens consiste à additionner les décalages obtenus par les premiers moyens d'une part, et par les seconds moyens auxquels est appliqué une erreur nulle d'autre part. I1 est ainsi possible d'activer les premiers moyens sans détériorer la stabilité de l'estimation globale. Dans un mode de mise en oeuvre particulièrement intéressant, les moyens de surveillance permettent, lorsque les seconds moyens ont été utilisés pendant une première durée de quelques dizaines de secondes par exemple, de vérifier si la correction ainsi apportée a tendance à dériver, et commandent dans ce cas, pendant une seconde durée de quelques secondes par exemple, l'utilisation combinée des premiers et des seconds moyens. Ainsi, les seconds moyens, qui fournissent une estimation beaucoup plus stable que les premiers moyens, sont utilisés de façon prioritaire, et les premiers moyens sont activés à un rythme et pour une durée suffisants pour corriger la dérive de rythme introduite par les seconds moyens, mais tels que le bruit de leur estimation ne perturbe pas les données reçues. L'invention concerne également un modem comportant un tel dispositif de récupération du rythme d'horloge. En effet, le décalage de fréquence entre les horloges d'un modem émetteur et d'un modem récepteur peut atteindre un rapport de 10 4. Afin de récupérer correctement les symboles émis par le modem émetteur, le modem récepteur doit donc disposer d'un dispositif de récupération du rythme d'horloge selon l'invention. D'autres particularités, détails et avantages de la présente invention seront mis en évidence par la description qui va suivre en regard des dessins annexés qui sont relatifs à des exemples donnés à titre non limitatif, et dans lesquels - la figure 1 représente un exemple de mise en oeuvre des premiers moyens utilisés par un dispositif selon l'invention, - la figure 2 représente un graphe permettant d'asservir le décalage T(n) à partir d'une fonction coût I(n), - la figure 3 représente l'équivalent du graphe de la figure 2 dans le domaine de Laplace, - la figure 4 représente les estimations des décalages des fréquences d'horloge obtenues avec chacun des premiers et seconds moyens, - la figure 5 représente un exemple de dispositif selon l'invention, - la figure 6 représente un exemple de mise en oeuvre des moyens de surveillance d'un dispositif selon l'invention, - la figure 7 représente les estimations des décalages des fréquences d'horloge obtenues globalement par l'utilisation combinée des premiers et seconds moyens, - la figure 8 représente un exemple de modem comportant un dispositif selon l'invention. Notons a(nt) les symboles émis par le système émetteur au rythme T, y(nT) les symboles reçus en sortie de l'égaliseur, et G la fonction de transfert globale du canal de transmission. La relation entre symboles émis et symboles reçus est donc la suivante: Si les horloges des systèmes émetteur et récepteur sont en phase, le canal se comporte comme un canal de Nyquist et on a y(nT) = a(nT) Supposons que le décalage entre les dites horloges soit égal à T, on voit alors apparaître des termes d'interférence dus aux symboles précédents et suivants L'erreur qui en résulte va être exploitée par les seconds moyens d'un dispositif selon l'invention pour corriger ce décalage. Ainsi, le décalage T(n) est estimé à partir d'une fonction coût, représentant la dite erreur, qui peut se mettre sous la forme I(n)=KT(n) + N (où N est un bruit et K est une constante), et qui est appliquée à une boucle à verrouillage de phase d'ordre 2. La fonction coût choisie est la suivante I(n) = Re {[e((n+l)T) - e((n-l)T)]a*(nT)} où e(nT) = y(nT) - a(nT) et représente l'erreur d'égalisation. Les symboles a(nT) étant décorrélés les uns des autres, on montre facilement que l'espérance de I(n) s'écrit E[I(n)] = E[a(n)]. Re(G(T+r) - G(-T+T)} Or, lorsque T est très faible devant T, on a G(T+T) - G(-T+T) = G'(T).T d'où E[I(n)] = KT(n) et I(n) = KT (n) + N On définit alors le processus suivant pour établir l'estimation T (n) où gl et g2 sont des constantes qui définissent l'évolution du processus. Ces équations se mettent sous la forme du graphe d'une boucle du second ordre représentée sur la figure 2. Le graphe représenté sur la figure 3 en est l'équivalent dans le domaine de Laplace (l'opérateur laplacien y est noté S). On en déduit aisément la fonction de transfert de cette boucle du second ordre # (S) Kg1 S + Kg2 # (S) S + Kg1 S + Kg2 Et l'on obtient ainsi l'expression de la fréquence d'oscillation libre w02 et de l'amortissement 4 de la boucle wo2 = Kg2 Les constantes gl et g2 sont ainsi fixées empiriquement de façon à établir un compromis entre la vitesse de convergence de la boucle, et l'influence du bruit sur l'estimation. Le bloc L représenté sur le graphe de la figure 2 est un bloc de seuillage qui permet d'appliquer les corrections de façon discontinue, uniquement lorsqu'elles dépassent une certaine valeur. La figure 4 représente les estimations S1 et S2 des décalages des fréquences d'horloge fournis par les premiers et seconds moyens respectivement. Le signal S2 est beaucoup plus stable que le signal S1 mais présente le défaut d'une dérive à long terme en effet, si S2 est proche du décalage de référence Sref entre les fréquences d'horloge des systèmes émetteur et récepteur, il reste malgré tout une petite différence due notamment à l'égaliseur qui compense le décalage des horloges des deux systèmes. Le signal S1 est quant à lui très bruité, mais sa valeur moyenne est égale à Sref. Le dispositif selon l'invention représenté sur la figure 5 utilise le signal S1 pour compenser la dérive du signal S2. D'après la figure 5, le dispositif selon l'invention Di comporte - des premiers moyens M1 pour extraire le rythme d'horloge du système émetteur à partir du signal reçu sR(mT), échantillonné à la fréquence d'échantillonnage du système récepteur et disponible sur une première entrée I1 du dispositif Di selon l'invention, et pour en déduire le décalage T entre les horloges de ces deux systèmes, - des seconds moyens M2 pour estimer le décalage T à partir de l'erreur d'égalisation e(nT)=y(nT)-a(nT) où - y(nT) est le symbole disponible à la sortie d'un égaliseur Eg du système récepteur et échantillonné à la fréquence baud du système récepteur, - et a(nT) est le symbole disponible en sortie d'un détecteur à seuil Ds du système récepteur qui permet de déterminer le symbole le plus proche du symbole reçu y(nT) dans la constellation utilisée. Cette erreur d'égalisation e(nT) est portée sur une seconde entrée I2 du dispositif Di selon l'invention, tandis qu'une troisième entrée I3 du dispositif Di reçoit une erreur nulle, - Le dispositif Di comporte également un module commutateur C3 contrôlé par les moyens de surveillance pour activer alternativement les premiers moyens en combinaison avec les seconds moyens qui sont alors reliés à l'entrée I3 (position P1) ou les seconds moyens seuls, reliés à l'entrée I2 (position P2). Le décalage obtenu est délivré sur une sortie S1 du dispositif Di selon l'invention, et transmis à un module de gestion d'horloge G4 qui permet d'avancer ou de retarder l'échantillonnage du signal reçu. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux du dispositif selon l'invention, les premiers et seconds moyens et les moyens de surveillance sont formés à partir d'un ensemble à microprocesseur 11 comportant un microprocesseur 12, un mémoire vive de travail 13 et une mémoire morte 14 contenant des instructions nécessaires à la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention décrit ci-dessus. La figure 6 représente un organigramme d'un exemple d'algorithme mettant en oeuvre les moyens de surveillance selon l'invention. La signification des différentes cases de cet organigramme est donnée ci-dessous dans l'ordre d'exécution - case KO : C'est le début de l'algorithme. La variable tempo est remise à zéro. - case K1 : Le module commutateur C3 est dans la position P2, et le décalage T entre les horloges des systèmes émetteur et récepteur est donnée par les seconds moyens M2. - case K2 : La variable tempo est testée : si elle est inférieur à un premier seuil tempol, l'algorithme suit la branche "N" et reprend à la case K1. Sinon, il suit la branche "O" est passe à la case K3. - case K3 : L'algorithme vérifie si la correction apportée par les seconds moyens M2 a tendance à dériver. Pour cela il calcule la correction apportée par les premiers moyens M1 pour le symbole courant, et teste si elle dépasse un certain seuil. Dans ce cas, la dérive est détectée, et l'algorithme suit la branche "O" pour passer à la case K4. Sinon, il suit la branche "N" et reprend à la case KO. - case K4 : Le module commutateur C3 passe dans la position P1, et pendant une durée égale à tempo2, le décalage T global est égal à la somme du décalage donné par les premiers moyens M1, et de l'estimation fournie par les seconds moyens M2 sur lesquels on annule le signal d'entrée. Une fois la durée tempo2 écoulée, l'algorithme reprend à la case KO. Ainsi, comme le montre la figure 7, l'estimation globale résultant de l'utilisation combinée des premiers et seconds moyens M1 et M2 reste très stable. En limitant l'action des premiers moyens M1 à quelques corrections sur une courte durée tempo2, le bruit de son estimation propre ne détériore donc pas la qualité des données reçues. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, la durée tempol est prise égale à quelques dizaines de secondes tandis que la durée tempo2 est égale à quelques secondes. Par exemple, la dérive du signal S2 est corrigée lorsqu'on utilise les valeurs suivantes : tempol = 30s et tempo2 = 5s. Dans un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la durée tempo2 atteind quelques minutes. Les modems haut débit constituent une application particulièrement importante du dispositif de récupération d'horloge selon l'invention. D'après la figure 8, un tel modem, qui porte la référence 6, permet de connecter un terminal numérique 5 à une ligne de transmission de type ligne téléphonique 7. Ce modem comporte des ensembles à microprocesseur 10 et 11, un premier circuit d'interface 15 qui permet de le relier au terminal 5, et un second circuit d'interface 20 qui permet de transformer les signaux en provenance de la ligne téléphonique 7 en signaux numériques et réciproquement. Ce circuit d'interface 20 est décrit dans le brevet européen ne0318105. L'ensemble à microprocesseur 10 est affecté à la gestion du modem, et l'ensemble 11 qui assure les opérations de transmission, comporte un microprocesseur 12, une mémoire vive de travail 13 et une mémoire morte 14 contenant en outre les instructions permettant de mettre en oeuvre le dispositif selon l'invention. I1 va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de récupération du rythme d'horloge d'un système émetteur pour un système récepteur disposant d'une horloge destinée à échantillonner un signal reçu, et comportant des premiers moyens (M1) permettant d'extraire du signal reçu (sR(mT)) le rythme d'horloge du système émetteur pour en déduire tout décalage (T(n)) entre les horloges desdits systèmes, caractérisé en ce qu'il comporte également des seconds moyens (M2) permettant d'estimer le décalage entre les horloges desdits systèmes en asservissant une fonction coût du type I(n) = KT (n) + N où - K est une constante, - N est un bruit, - T (n) est le décalage entre les horloges des systèmes émetteur et récepteur au nème symbole, et en ce qu'il dispose de moyens de surveillance qui commandent alternativement l'utilisation des seconds moyens (M2) puis une utilisation combinée des premiers (M1) et des seconds moyens (M2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction coût est du type 1(n) = Re{[e(n+l)-e(n-l)].a (n)} où - Re{.} représente la fonction partie réelle de l'expression entre accolades, - e(n) est une erreur relative au nème symbole transmis, - a (n) est l'expression conjuguée du nème symbole émis a(n). 3. Dispositif selon la revendication 2, destiné à recevoir des signaux transmis avec modulation en utilisant une constellation, caractérisé en ce que l'erreur (e(n)) utilisée dans la fonction coût (I(n)) est l'erreur d'égalisation. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'utilisation combinée des premiers (M1) et des seconds moyens (M2) consiste à additionner les décalages obtenus par les premiers moyens d'une part, et par les seconds moyens auxquels est appliqué une erreur nulle d'autre part. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de surveillance permettent, lorsque les seconds moyens (M2) ont été utilisés pendant une première durée (tempol) de quelques dizaines de secondes par exemple, de vérifier si la correction ainsi apportée a tendance à dériver, et commandent dans ce cas, pendant une seconde durée (tempo2) de quelques secondes par exemple, l'utilisation combinée des premiers (M1) et des seconds moyens (M2). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pour vérifier si la correction apportée par les seconds moyens (M2) a tendance à dériver, les moyens de surveillance comparent la correction apportée par les premiers moyens (M1) à une valeur seuil, la dérive étant détectée au delà de cette valeur seuil. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les seconds moyens (M2) disposent d'un module de seuillage (L) qui permet de n'effectuer les corrections que lorsqu'elles dépassent un seuil donné. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les premiers et seconds moyens (M1, M2) et les moyens de surveillance sont formés à partir d'un ensemble à microprocesseur. 9. Modem (6) comportant un dispositif de récupération du rythme d'horloge selon l'une des revendications 1 à 8.