Brevet FR2713853A1 — publié le 19950616

SYSTEME DE RECEPTION OU DE LECTURE SERIE D'INFORMATIONS L'invention concerne un système de réception ou de lecture série d'informations, et notamment un système de réception ou de lecture d'informations numériques dans lequel l'horloge locale n'est pas asservie avec l'horloge d'émission (ou d'inscription) et dans lequel il convient de déterminer la phase du signal par rapport à l'horloge locale. La partie réception d'une voie de transmission ou de stockage d'informations numériques comporte généralement une fonction de régénération de l'horloge des informations transmises. Dans la plupart des cas, cette horloge est reconstituée à partir du train même des données transmises. La présente invention s'applique à la reconstitution de l'horloge d'un signal reçu, et échantillonné de manière asynchrone par rapport à cette horloge. Un filtre de poursuite de phase réalisé numériquement comporte une fonction de mesure de phase (ou d'écart de phase) et une fonction de prédiction (ou d'estimation). Lorsque le signal analogique est échantillonné à partir de l'horloge reconstituée, comme c'est généralement le cas sur les voies numériques, L'écart de phase est proche de zéro dès que la boucle de phase est verrouillée. La détermination de l'erreur de phase est évidente si le signal est suréchantillonné d'un facteur deux. Des algorithmes (Mueller and Müller) ont été proposés dans le cas d'un signal binaire échantillonné à fréquence bit. Dans le cas où la fréquence d'échantillonnage est quelconque par rapport à la fréquence bit, la phase instantanée varie rapidement et il n'est pas évident de déterminer cette phase avec une bonne précision. Le circuit, objet de l'invention, permet de déterminer la phase de chacun des échantillons d'un signal numérique biniveau ou multiniveau transmis à travers un canal analogique. L'invention concerne donc un système de réception ou de lecture d'informations série numériques dans lequel l'information est échantillonnée à intervalles réguliers sous la commande d'une horloge locale, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une table contenant pour chaque couple de valeurs d'échantillons d'informations consécutifs une valeur de phase mesurée. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaitront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de signal reçu; - la figure 2, une représentation des lieux de couples d'échantillons - les figures 3a et 3b, un exemple du principe de la mesure de phase; - les figures 4 et 5, d'autres lieux de couples d'échantillons; - la figure 6, un schéma explicatif de la détermination de la position vraisemblable d'un couple d'échantillons - la figure 7, un filtre simplifié de la mesure de déphasage; - la figure 8, un filtre plus complet de la mesure de déphasage; - la figure 9, un filtre de contrôle d'amplitude; - les figures 10 et 11, un système général de mesure de déphasage. Le système de l'invention sera tout d'abord décrit sur un cas simple puis généralisé. La figure 1 représente un signal binaire transmis à travers un canal de Nyquist et échantillonné à une fréquence fe = 2 fb (fb = fréquence bit ou fréquence binaire du signal reçu). La représentation géométrique du lieu des couples d'échantillons successifs (zk-l, zk) avec une amplitude nominale et en l'absence de bruit est donnée en figure 2. Les diverses trajectoires peuvent être graduées en phase. L'on voit que lorsque le point représentatif du signal se trouve dans l'un des quadrants 2 ou 4 du plan (zk-ll Zk). il est possible de déterminer sans ambiguïté la phase du signal à cet instant. Par exemple les échantillons El et E2 de la figure 1 donnent lieu à un point sur le quadrant 2. En l'absence de bruit, d'autres zones des trajectoires possibles sont utilisables. En revanche, lorsque le point représentatif se trouve proche du point (1,1) ou du point (-1, -1), il n'est pas possible de donner une valeur de la phase du signal. Dans les quadrants 1 et 3, les parties droites correspondent à des couples d'échantillons tels que E3-E4, situés sur des méplats de la courbe. Les parties circulaires correspondent à des couples d'échantillons, tels que E5-E6 de même signe. Les quadrants 2 et 4 sont ceux pour lesquels le signal change de signe entre 2 échantillons successifs. C'est la situation utilisée généralement pour faire une mesure de la phase dans les comparateurs de phase des boucles à verrouillage de phase (PLL) analogiques et dans la plupart des réalisations de PLL numériques. L'on voit qu'il est possible de faire une mesure de la phase dans d'autres cas. Ces autres situations ne sont généralement pas utilisées car il faut tenir compte de la moindre précision de la mesure sur certaines parties de la trajectoire, ou du risque d'erreur d'affectation du point courant à sa vraie trajectoire. Si l'on considère en effet que dans le cas réel, le signal est affecté de bruit, et d'une erreur d'amplitude, il existe une probabilité d'erreur sur la mesure qui dépend de la proximité relative du point aux trajectoires les plus proches. La solution de l'invention consiste à précalculer pour chaque point du plan (Zk-1. Zk). la valeur la plus probable de la phase du signal qui est celle du point le plus proche sur l'une des trajectoires nominales du signal, ainsi qu'un degré de confiance accordé à cette valeur fonction de la distance à cette trajectoire et aux autres trajectoires les plus proches. Ce calcul assez lourd, n'est fait qu'une fois, et les résultats sont stockés dans une table mémoire. A l'adresse donnée par un couple de points (Zk-1. zk), on trouve les résultats de ces calculs, et le circuit peut les exploiter en temps réel. Ainsi le circuit de la figure 3b reçoit deux échantillons zk et Zk-1 Un circuit à retard D permet de fournir ces deux échantillons en même temps à la table EAP. Le couple des amplitudes Ak-l et Ak correspondant à ces échantillons (figure 3a) permet d'accéder alors à une valeur de phase dans la table EAP. Dans le cas où le signal est biniveau (comme en figure 1) et égalisé selon un canal de Nyquist d'ordre zéro (égalisation en cos2), la forme des lieus de couples d'échantillons est très simple, et l'on peut facilement déduire une loi de calcul pour la phase du signal, soit: Les figures 4 et 5 donnent les trajectoires des signaux pour d'autres voies classiques. Les expressions analytiques sont plus difficiles à déterminer, mais il est toujours possible de les calculer en considérant, I'une après l'autre, les configurations de signaux binaires émis correspondants, et en calculant à partir de la réponse impulsionnelle du canal, les signaux reçus. La figure 6 montre la position d'un point mesuré à un instant donné. Ce point ne se trouve pas exactement sur une trajectoire du signal par suite de la présence de bruit dans le canal. Si la phase n'est pas stabilisée, on ne peut se baser que sur la proximité du point M à chaque trajectoire. On retiendra pour déterminer la phase la trajectoire la plus vraisemblable. La vraisemblance de l'hypothèse Tj est la probabilité conditionnelle d'avoir une mesure en M si la trajectoire est Tj. Elle s'exprime par: où Ngb est la variance de chaque mesure Zk. La probabilité d'observation de M est alors le produit de la probabilité d'avoir la trajectoire Tj par celle d'observer M si la trajectoire est Tj: pr(M) = pr (MÏTj). pr (Tj) II est donc possible pour un point donné de retenir l'hypothèse la plus probable, et aussi en comparant la probabilité de cette hypothèse et celle des autres hypothèses possibles, d'accorder un crédit plus ou moins grand à cette mesure. A cette étape, on peut prendre en compte également les fluctuations non gaussiennes du canal (variations d'amplitude du signal ) On calcule ainsi pour chaque point du plan, la valeur probable de la phase du signal et un coefficient de confiance Ck. Lorsque le filtre de phase est stabilisé, il est possible, en outre, de tenir compte de la valeur prédite de la phase, et de l'incertitude sur cette prédiction. Si l'on fait l'approximation d'une erreur de phase gaussienne, on peut généraliser les calculs précédents, en définissant par exemple une probabilité conditionnelle d'observer M si la trajectoire est Tj et si la phase est la valeur prédite II est possible aussi d'utiliser la valeur prédite de la phase pour éliminer certaines trajectoires improbables, voire pour déterminer la trajectoire la plus probable. La figure 7 représente une structure de filtre de phase. La prédiction de phase proprement dit s'effectue par intégration d'une constante représentant la fréquence Fb du signal. Une erreur de phase est obtenue par différence de la phase prédite et de la phase mesurée à l'aide d'un soustracteur SOU. L'erreur de phase est pondérée par un coefficient k. Cette erreur pondérée est additionnée (additionneur ADD) à 2flFb puis Fe intégrée (intégrateur INT1). La figure 8 représente un exemple de réalisation plus complet de ce filtre. Le soustracteur SOU, le circuit de multiplication MUL1 qui pondère à l'aide d'un coefficient X, I'additionneur ADDI et l'intégrateur INT1 réalisent les fonctions du filtre de la figure 7. En supplément la sortie du soustracteur SOU est connectée à un multiplicateur MUL2 (coefficient de multiplication ,u) et à un intégrateur INT2 de façon à estimer un écart moyen de fréquence par intégration de l'erreur instantanée de phase qui sera injecté après pondération par le coefficient p. Le calcul de la vraisemblance d'une mesure suppose connue et stable l'amplitude du signal. Dans le cas général, de petites fluctuations, ou un écart de niveau peuvent se produire. II est facile de les corriger si ces phénomènes sont à fréquence faible devant celle du signal. La connaissance de zk, zk-l et éventuellement de cpk permet de déterminer l'amplitude du signal, ou l'écart d'amplitude par rapport à la valeur nominale. Cet écart peut être pondéré comme on l'a fait pour l'écart de phase. Cette mesure permet après filtrage et addition à une valeur de consigne, de corriger l'amplitude du signal (figure 9). La prise en compte du ou des derniers échantillons transmis dans le canal, et déjà décodé(s) permet de ne conserver que les trajectoires compatibles avec la valeur d'un échantillon en cours de réception diminuant ainsi les risques de confusion ou d'indétermination. A défaut, on peut utiliser une estimation de cette information à partir de l'échantillon précédent. Par exemple la figure 10 représente la position d'un point courant Mk: il y a une ambiguïté possible entre deux trajectoires (la trajectoire circulaire sur la trajectoire rectiligne). Si l'on représente les positions possibles du point Mk-i à l'instant précédent, on voit qu'il est facile de lever l'ambiguïté, même si l'on utilise un très petit nombre de bits pour décrire zk-2. On ne peut généralement pas passer de manière indifférente d'une trajectoire à une autre (circulaire à rectiligne par exemple) ou parcourir dans un sens quelconque une trajectoire. Plutôt que zk-2, il peut être intéressant d'utiliser la connaissance de la trajectoire à l'instant précédent, et pour cela de délivrer à chaque instant une information donnant la trajectoire actuelle. Dans certains cas, c'est la connaissance même approximative de l'échantillon suivant, qui permet de lever l'ambiguïté sur la trajectoire. II est avantageux d'utiliser la même table de mesure de la phase pour y inclure le calcul de l'écart de phase pondéré. Au lieu de délivrer une phase Omk et un coefficient de confiance Ck, la table peut délivrer directement une différence de phase MePk pondérée par le coefficient de confiance CK ce qui diminue le nombre d'opérateurs numériques et de sorties. Le filtre de la figure 7 peut être alors utilisé efficacement. Le filtre de la figure 7 est de plus simplifié: il s'agit d'un filtre du premier ordre. Une boucle à verrouillage de phase (PLL) comportant l'ensemble des dispositions décrites ciaessus est représenté en figure 11. Cette structure est performante et bien adaptée au traitement d'un signal complexe comme par exemple le signal d'un canal à réponse partielle PR2, dont le diagramme de phase est représenté en figure 4. On pourra généralement ne conserver qu'une partie des dispositions prévues sans dégradation excessive des performances. Le système de la figure 11 comporte un circuit de contrôle d'amplitude CA recevant les différents échantillons successifs yk. Ce circuit de contrôle d'amplitude (amplificateur par exemple) pondère l'amplitude de chaque échantillon à l'aide d'un coefficient Gk. Chaque échantillon corrigé en amplitude Zk est transmis à une table EAP ainsi qu'à des circuits à retard D. Ceux-ci transmettent à la table les échantillons Zk-1 et Zk-2 précédents. Dans la case de la table EAP correspondant aux échantillons le système trouve une erreur de phase MOm affectée d'un coefficient de confiance . Ce signal est transmis à un filtre F2 du type de celui de la figure 7. Le filtre F2 fourni la phase estimée de l'horloge locale. Par ailleurs, chaque couple d'échantillon (Zk, Zk-1) permet au système d'obtenir dans la table un écart d'amplitude AA. Celui-ci est transmis à un filtre FI de contrôle d'amplitude du type de celui de la figure 9. Ce filtre F1 commande le circuit de contrôle d'amplitude CA. On a vu précédemment que la connaissance à priori 4nême imprécise- de la phase par connaissance des décodages précédentes permet de lever des ambiguïtés entre plusieurs trajectoires possibles. On peut donc dans ce cas utiliser l'information estimée qui est fournie à l'entrée de la table pour mieux séparer les hypothèses possibles. Un autre moyen de lever l'ambiguité est d'utiliser le signal décodé bk.2 ou l'échantillon Zk-2 La figure 12a représente un diagramme des lieux des couples d'échantillons pour une fréquence d'échantillonnage égale à deux fois la fréquence bit. La figure 12c représente un diagramme pour une fréquence d'échantillonnage égale à la fréquence bit. Dans le cas où la fréquence d'échantillonnage n'est pas un multiple entier de la fréquence bit, les diagrammes précédents sont modifiés mais il est toujours possible d'appliquer cette méthode. Elle se révèle plus précise que la méthode classique d'interpolation linéaire appliquée aux transitions du signal. Par exemple la figure 12b montre le diagramme correspondant à une fréquence d'échantillonnage Fe = 312 Fb. Certains algorithmes de décodage n'exigent pas une égalisation préalable du signal. Définir et appliquer dans ces conditions une loi analytique de calcul de la phase n'est généralement pas simple. En revanche, il est toujours possible de définir, au besoin expérimentalement le diagramme. La réalisation en mémoire ROM de la mesure de la phase permet sans nécessiter de composant supplémentaire, d'associer d'autres fonctions utiles dans une chaîne de décodage : détection des baisses importantes de niveau ("erasures"), détection et gestion de la désynchronisation du filtre à verrouillage de phase. La limite du nombre de fonctions supplémentaires "gratuites" étant fixée par le nombre de sorties disponibles sur la mémoire ROM. En particulier, la fonction de décodage du signal est facilement intégrable dans la table. En effet à l'aide des formules d'interpolation de Lagrange, et par la connaissance de 3 (au moins) d'échantillons successifs Zk-2, Zk-1, Zk et de la phase (pk-I, il est possible de reconstruire un échantillon i k-l tel aue: Pour décoder le signal, il suffit de conserver le signe de ik (décodage à seuil): b(k-l)= sgn (i k-l) La figure 11 présente une réalisation de cette fonction. Comme on l'a vu dans la description qui précède, le système de l'invention permet de décrire la loi de mesure de la phase par une table dont les entrées sont les valeurs de plusieurs (généralement 2) échantillons successifs de signal et la valeur prédite de la phase actuelle. Dans certains cas, on pourra aussi prendre en compte la valeur du ou des derniers bits décodés, ou le signe de l'échantillon précédent. La table contient dans chacune de ses cases, correspondant à une des combinaisons possibles des grandeurs d'entrée, une mesure de la phase ainsi qu'un degré de confiance accordé à cette mesure. Dans une variante préférentielle, ces deux informations sont remplacées par une valeur de l'erreur de phase pondérée par le degré de confiance . Egalement, le tableau délivre aussi une valeur de l'amplitude du signal ainsi qu'un degré de confiance sur cette mesure ou une valeur pondérée de l'écart d'amplitude par rapport à un niveau de référence. Les informations ainsi délivrées sont utilisées pour faire fonctionner un filtre de prédiction de phase qui donne une estimation de la phase de chaque échantillon du signal. Une boucle de contrôle d'amplitude complète le dispositif dans le cas d'une transmission d'un signal numérique multiniveau. La structure du système de l'invention est applicable à la récupération de l'horloge de signaux bi ou multiniveaux dans le cas général d'une voie de traitement asynchrone. La mesure de la phase s'effectue par maximum de vraisemblance, permettant des performances optimales, y compris dans les cas "difficiles" de faible rapport signal à bruit, ou de fréquence d'échantillonnage non multiple entière de la fréquence bit. La réalisation qui serait complexe si l'on utilisait des opérateurs numériques câblés ou programmés, est ici très simplifiée par l'utilisation de techniques de tables. Un autre mode de réalisation avantageux pourrait utiliser des techniques de réseaux de neurones pour remplacer la table en mémoire ROM. REVENDICATIONS 1. Système de réception ou de lecture d'informations série numériques dans lequel l'information est échantillonnée à intervalles réguliers sous la commande d'une horloge locale, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une table (EAP) contenant pour chaque couple de valeurs d'échantillons d'informations consécutifs une valeur de phase mesurée. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la table (EAP) comporte pour chaque couple de valeurs d'échantillons d'informations consécutifs une valeur d'écart d'amplitude par rapport à une valeur nominale. 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - un circuit de soustraction (SOU) recevant à chaque échantillonnage une valeur de phase mesurée et une valeur de phase estimée antérieurement et fournissant un signal de différence de phase k) proportionnel à la différence des valeurs de phases mesurée et estimée; - un circuit d'addition (ADD) additionnant le signal de différence de phase et le rapport de la fréquence du signal (fb) à la fréquence d'échantillonnage (fe); - un circuit d'intégration (INT1) intégrant les résultats du circuit d'addition et fournissant une valeur de phase estimée. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la table (EAP) contient pour chaque couple de valeurs d'échantillons d'informations consécutifs et une phase estimée précédemment, une différence de phase pondérée et qu'il comporte: - un circuit d'addition (ADD) additionnant le signal de différence de phase et le rapport de la fréquence du signal (fb) à la fréquence d'échantillonnage (fe); - un circuit d'intégration (INT1) intégrant les résultats du circuit d'addition et fournissant une valeur de phase estimée. 5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la table (EAP) contient une différence de phase pondérée et une valeur de signal décodé pour chaque ensemble de valeurs suivants: - trois valeurs d'échantillons d'informations consécutifs; - une phase estimée précédemment; et qu'il comporte: - un circuit d'addition (ADD) additionnant le signal de différence de phase et le rapport de la fréquence du signal (fb) à la fréquence d'échantillonnage (fe); - un circuit d'intégration (INT1) intégrant les résultats du circuit d'addition et fournissant une valeur de phase estimée. 6. Système selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le circuit de soustraction (SOU) fournit un signal de différence de phase égal à la différence des valeurs de phases mesurée et estimée et en ce que le système comprend entre le circuit de soustraction (SOU) et le circuit d'addition (ADD), d'une part un premier circuit de multiplication (MUL1) multipliant le signal de différence de phase par un premier coefficient (cri) et d'autre part un deuxième circuit de multiplication (MUL2) multipliant le signal de différence de phase par un deuxième coefficient (p) suivi par un intégrateur (INT2). 7. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de contrôle d'amplitude (CA) recevant les échantillons d'information et les transmettant à ladite table, celle-ci fournissant une valeur d'écart d'amplitude au circuit de contrôle d'amplitude pour corriger l'amplitude des échantillons reçus. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de filtrage (F1) d'amplitude recevant les valeurs d'écarts d'amplitudes et les transmettant au circuit de contrôle d'amplitude (CA). 9. Système selon l'une des revendications 8 ou 5, caractérisé en ce que le circuit de filtrage (Fi) d'amplitude comporte un circuit de pondération (MUL3) recevant de la table (EAP) les valeurs d'écarts d'amplitude et fournissant des valeurs pondérées à un circuit d'intégration (INT3) qui fournit une valeur de correction au circuit de contrôle d'amplitude (CA).