Brevet FR2705499A1 — publié le 19941125

La présente invention concerne un système adaptatif de traitement de signaux. Ce système peut par exemple être utilisé pour traiter les signaux de sortie d'une antenne à réseau adaptatif. Les antennes de ce type comprennent de façon générale un réseau d'élements d'antenne, un réseau de formation de faisceau qui sera également appelé réseau BFN (pour BeamForming Network) par la suite et un processeur d'adaptation qui commande les poids des variables ou paramètres de traitement, dans le réseau BFN. Les valeurs des poids déterminent la configuration de rayonnement de l'antenne sous la commande du processeur d'adaptation. Le principal objectif de ces antennes à réseau adaptatif est d'améliorer la réception de certain signaux souhaités en présence de signaux parasites indésirables. A cet effet, la configuration de rayonnement est établie de manière telle que le lobe principal soit pointé endirection du signal souhaité, tandis que les zéros sont dirigés dans la direction des parasites. Pour réaliser cette formation de faisceau adaptative, différents moyens doivent être utilisés pour permettre une distinction entre les signaux souhaités et les signaux parasites. Dans les systèmes de formation de faisceau basés sur une référence de temps, cette distinction est réalisée au moyen d'un signal de référence de temps qui est corrélé avec les signaux souhaités et non corrélé avec les signaux parasites. Ce signal de référence est engendré à partir de la sortie du réseau BFN sur la base d'une quelconque connaissance à priori de la forme d'onde du signal souhaité. Une telle technique de formation à base de temps bien connue dans l'état de la technique est basée sur l'utilisation d'un algorithme adaptatif mettant en oeuvre une méthode des moindres carrés moyens qui sera également appelée par la suite algorithme LMS (pour Least Mean Square). Cet algorithme est adapté pour réduire l'erreur quadratique moyenne entre le signal de référence et la sortie réelle du réseau. Des renseignements complémentaires concernant cet algorithme pourront être trouvés dans le document "ADAPTIVE ANTENNA SYSTEMS" B. WIDROW et al., Proc. IEEE, volume 55, décembre 1967. Dans de nombreuses applications pratiques, la génération d'un signal de référence à partir de la sortie du réseau BFN entraîne l'apparition d'un retard inhérent qui nécessite la modification de l'algorithme LMS. Ainsi par exemple, ce problème apparaît clairement lorsque l'on étudie l'application de la formation de faisceau adaptative à un système de télécommunication à accès multiple par code de répartition et à spectre dispersé. On se reportera en particulier au document ADAPTIVE BEAMFORMING in A CDMA MOBILE SATELLITE COMMUNICATIONS SYSTEM " DSP - The Enabling Technology for Communications, S. MUNOZ-GARCIA Amsterdam, 9-10 mars 1993. Pour résoudre les problèmes de retard mentionnés précédemment, on a alors développé dans l'état de la technique, un algorithme dit LMS retardé et qui est en fait une variante de l'algorithme LMS et qui se traduit par un retard dans l'adaptation des coefficients (voir le document " THE LMS ALGORITHM WITH DELAYED COEFFICIENT ADAPTATION ", G. Long et al, IEEE trans. on Acoustics, Speech and Signal Processing, volume 37, nX 9, Septembre 1989. Cependant, cet algorithme LMS retardé présente une vitesse de convergence réduite et des performances dégradées en régime permanent. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes associés au retard lié à la génération du signal de référence dans le cadre de l'utilisation d'un algorithme dit LMS dans un système adaptatif de traitement de signaux. A cet effet, l'invention a pour objet un système adaptatif de traitement de signaux, du type comportant des premiers moyens de traitement de signaux recevant des signaux d'entrée et délivrant des signaux de sortie traités et dont des paramètres de traitement sont établis par des moyens d'adaptation à boucle de réaction utilisant une méthode des moindres carrés moyens recevant sur une entrée des signaux d'entrée retardés et sur une autre entrée un signal de correction établi à partir d'un signal de référence délivré par un générateur de signal de référence à partir des signaux de sortie traités, et de signaux de sortie traités et retardés, les signaux retardés d'entrée et de sortie étant décalés d'une durée correspondant au retard inhérent au générateur de signal de référence, caractérisé en ce que les signaux de sortie traités et retardés sont délivrés par des seconds moyens de traitement de signaux équivalents aux premiers et dont les paramètres de traitement sont également établis par les moyens d'adaptation et recevant sur une entrée les signaux d'entrée retardés. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - les Fig.l, 2 et 3 représentent des schémas synoptiques illustrant des structures de systèmes adaptatifs de l'état de la technique; et - la Fig.4 représente un schéma synoptique illustrant la structure d'un système adaptatif selon l'invention. On donnera par la suite une description de l'invention dans le contexte de la formation de faisceau adaptative, mais il va de soi bien entendu que cette invention n'est pas limitée à cette application et peut être également utilisée dans d'autres domaines du traitement de signal adaptatif dans lesquels la présence d'un retard est un problème inhérent, tels que la correction adaptative orientée décision, la suppression d'écho de référence adaptive ou la mise en oeuvre d'algorithmes adaptatifs utilisant des architectures parallèles telles que des structures de type pipeline ou des réseaux systoliques. Pour des raisons de clarté, des éléments équivalents des systèmes représentés sur ces figures 1 à 4 sont désignés par les mêmes numéros de référence et la description du système adaptatif de traitement de signaux selon l'invention, sera donnée dans le contexte du traitement des signaux utilisé lors de la formation de faisceau adaptative pour des antennes à réseau. On reconnaît sur la figure 1, un système adaptatif de traitement des signaux de sortie d'une antenne à réseau. Ce système comporte en effet un réseau d'éléments d'antenne, désigné de façon générale par la référence 1, dont la sortie délivre des signaux à l'entrée d'un réseau de formation de faisceau désigné par la référence générale 2 et qui sera également appelé par la suite réseau BFN. Ce système comporte également un processeur adaptatif ou d'adaptation désigné par la référence générale 3. Ce processeur adaptatif 3 est adapté pour commander les poids des variables et donc des paramètres de traitement des signaux dans le réseau BFN. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, ces valeurs de poids déterminent la configuration de rayonnement de l'antenne. Ce processeur adaptatif 3 reçoit en entrée d'une part les signaux d'entrée du réseau BFN et d'autre part, les signaux de sortie de celui-ci afin d'élaborer les poids mentionnés précédemment, de façon classique. Sur la Fig.2, on a illustré un système adaptatif comprenant un algorithme mettant en oeuvre une méthode des moindres carrés moyens dit algorithme LMS qui est la méthode d'adaptation à base de temps la plus fréquemment employée. Cet algorithme est un algorithme à base de gradient qui réduit la valeur quadratique moyenne d'un signal d'erreur e(t), ce signal d'erreur étant la différence entre un signal de référence r(t) engendré localement et la sortie du réseau BFN, y(t). Le schéma synoptique représenté sur cette figure 2 peut se traduire par les équations suivantes W(n+l) = W(n) + g.e(n).X*(n); (1) e(n) = r(n) - XT(n).W(n); (2) dans lesquelles les vecteurs complexes W(n) et X(n) sont les échantillons à l'instant n des poids d'antenne et les signaux dans les éléments d'antenne respectivement, e(n) est l'échantillon correspondant de l'erreur instantanée, g est le pas de progression dans l'algorithme et W(n+l) est la mise à jour du vecteur de poids. La vitesse de convergence de l'algorithme LMS est proportionnelle au pas de progression g. Cependant, pour que cet algorithme soit stable, ce pas de progression doit être compris entre les limites fixées par la condition de stabilité suivante O dans laquelle Pt est la puissance totale reçue par le réseau. (voir le document " ADAPTIVE ANTENNAS. CONCEPT AND PERFORMANCE" R.T. Compton Englewood Cliffs, NJ : Prectice-Hall, 1988). L'algorithme dit LMS suppose qu'un signal de référence r(t) soit engendré et puisse être corrélé avec les signaux souhaités et non corrélé avec les signaux parasites. Cependant, dans de nombreuses applications pratiques, la génération du signal de référence induit un retard qui détruit la corrélation avec les signaux souhaités. Par exemple, un système de télécommunication à accès multiple par code de répartition à spectre dispersé permet qu'un signal de référence soit engendré facilement en raison de la connaissance de la séquence de signature de pseudobruit d'utilisateur souhaitée. Pour de plus amples renseignements concernant ce point, on pourra se reporter au document de S.MUNOZ-GARCIA mentionné précédemment et aux documents " AN ADAPTIVE ARRAY IN A SPREAD SPECTRUM COMMUNICATION SYSTEM " R.T. Compton, Proc. IEEE, volume 66, n"3, Mars 1978 et " COMBINATION OF AN ADAPTIVE ANTENNA AND A CANCELLER OF INTERFERENCE FOR DIRECT-SEQUENCE SPREAD SPECTRUM MULTIPLE ACCESS SYSTEMS", R.Kohno et al, IEEE J-SAC, volume 8, n"4, Mai 1990. Le signal d'utilisateur souhaité est alors concentré et démodulé en utilisant un récepteur de corrélation classique et les données reçues sont ensuite dispersées à nouveau en utilisant la même séquence de pseudo-bruit. Ce procédé induit un retard qui est beaucoup plus long que le temps de corrélation du signal reçu et ce, d'un facteur qui est de l'ordre du facteur de dispersion. Le retard appliqué lors de la génération du signal de référence nécessite alors une modification de l'algorithme LMS de base. Le schéma synoptique représenté sur la Fig.3, illustre la mise en oeuvre d'un algorithme LMS retardé dans une antenne à réseau adaptative. Par la suite, on supposera que la génération du signal de référence introduit un retard équivalent à une durée de D échantillons. Il y a alors lieu de décaler d'une durée correspondante les signaux d'entrée appliqués à l'entrée des moyens d'adaptation, de même que les signaux de sortie du réseau BFN qui sont comparés au signal de référence. La sortie du réseau BFN et les signaux dans les éléments du réseau d'éléments d'antenne sont alors stockés pendant une période correspondant à D échantillons pour obtenir le signal d'erreur retardé correct. Ces signaux sont appliqués à l'algorithme LMS retardé qui est représenté par les équations suivantes W(n+1)=W(n)+g.e(n-D).X*(n-D) (4) m e(n-D)=r(n-D)-XTn-D).W(n-D) (5) Il résulte de ce retard dans la boucle de réaction de l'algorithme LMS, que le pas de progression g doit être limité à une gamme beaucoup plus réduite que précédemment. En effet, la condition de stabilité pour cet algorithme LMS retardé est à peu près donnée par la relation O On conçoit alors que le pas de progression dans l'algorithme LaS retardé est réduit de manière significative. Il en resulte deux conséquences. D'une part, la convergence de l'algorithme est plus lente et d'autre part r l'algorithme LMS retardé présente une erreur quadratique moyenne en régime permanent augmentée par rapport à celle d'un algorithme LMS classique Sur cette figure 3, le générateur de signal de référence a été désigné par la référence générale 4, tandis que les moyens de retard des signaux d'entrée des moyens d'adaptation et des signaux de sortie du réseau BFN 2, sont désignés par les références 5 et 6 respectivement. Sur la Fig.4, on a représenté un schéma synoptique d'un système adaptatif selon l'invention qui permet de résoudre les problèmes inhérents au retard lors de la génération du signal de référence. On peut constater à la lumière de cette figure 4 que dans ce système, on utilise des seconds moyens de traitement de signaux équivalents aux premiers et dans l'exemple illustré, un second réseau BFN désigné par la référence 7 équivalent au premier désigné par la référence 2, dont les paramètres de traitement sont également établis par les moyens d'adaptation 3, le second réseau BFN 7 recevant sur une entrée les signaux d'entrée retardés délivrés par les moyens à retard 5. Les signaux de sortie de ce second réseau BFN 7, se présentent alors sous la forme de signaux de sortie traités et retardés qui sont comparés au signal de référence délivré par le générateur de signal de référence 4, pour déterminer le signal de correction appliqué au processeur d'adaptation 3. Le nouvel algorithme de cette configuration peut alors être décrit par les équations suivantes w(n+1)=w(n)+g.e' (n-D) .X'*(n-D) (7) e' (n-D)=r' (n-D) -y' (n-D) (8) m y'(n-D)=X' (n-D).W(n) (9) On conçoit alors que le second réseau BFN désigné par la référence 7 sur cette figure 4, reçoit une version retardée des signaux des éléments d'antenne X'(n-D). Le signal de référence est engendré à partir de la sortie du premier réseau BFN 2 et il est comparé avec la sortie du second réseau BFN 7, sortie y'(n-D) qui est corrélée avec le signal de référence sans application de retard supplémentaire. On conçoit que de cette manière la boucle de réaction LaS est mise en oeuvre à travers le second réseau BFN 7. Etant donné que la boucle n'intègre aucun retard, la condition de stabilité est celle d'un algorithme LMS classique, qui est donnée par l'équation (3) mentionnée précédemment. Le vecteur de poids calculé par l'algorithme LMS peut être directement appliqué au premier réseau BFN 2 avec la seule condition que la configuration de signaux vue par l'antenne, c'est à dire les directions d'arrivée, les puissances des signaux, etc... ne change pas de manière importante pendant un intervalle de temps correspondant à une durée de D échantillons. Cette condition est rencontrée dans la majorité des cas pratiques. On conçoit alors que la structure proposée met en oeuvre un algorithme LMS classique piloté par un signal X' (n-D) au lieu de X' (n). Ceci peut être représenté en remplaçant dans les précédentes équations X(n) = X'(n-D) (10) r(n) = r'(n-D) (11) e(n) = e'(n-D) (12) et en les comparant aux équations (1) et (2) mentionnées précédemment. La vitesse de convergence de l'algorithme est alors accélérée et les performances en régime permanent sont celles d'un algorithme LMS classique. Une réalisation pratique de ce système peut consister à utiliser le même dispositif physique pour réaliser les deux réseaux BFN, en faisant fonctionner ce dispositif à une fréquence plus élevée et en utilisant un multiplexage approprié des signaux d'entrée. Par ailleurs, on notera également que les capacités mémoires de ce système sont moins importantes que celle nécessaire dans une configuration LMS retardée étant donné que le stockage des signaux de sortie des réseaux n'est pas nécessaire. REVENDICATIONS 1. Système adaptatif de traitement de signaux, du type comportant des premiers moyens de traitement de signaux (2) recevant des signaux d'entrée et délivrant des signaux de sortie traités et dont des paramètres de traitement sont établis par des moyens d'adaptation (3) à boucle de réaction utilisant une méthode des moindres carrés moyens recevant sur une entrée des signaux d'entrée retardés et sur une autre entrée un signal de correction établi à partir d'un signal de référence délivré par un générateur de signal de référence (4) à partir des signaux de sortie traités, et de signaux de sortie traités et retardés, les signaux retardés d'entrée et de sortie étant décalés d'une durée correspondant au retard inhérent au générateur de signal de référence, caractérisé en ce que les signaux de sortie traités et retardés sont délivrés par des seconds moyens de traitement de signaux (7) équivalents aux premiers (2), dont les paramètres de traitement sont également établis par les moyens d'adaptation (3) et recevant sur une entrée les signaux d'entrée retardés. 2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement de signaux comprennent des moyens de formation de faisceau adaptatifs recevant en entrée des signaux délivrés par un réseau d'éléments d'antenne (1).