Brevet FR2722630A1 — publié le 19960119

Description L'invention concerne un système de transmission numérique de données comportant un récepteur muni de moyens de détection pour séparer un signal complexe reçu, codé d'après des états d'une constellation, en une composante I en phase et une composante Q en quadrature avec une porteuse locale, les deux composantes définissant un point P représentant le signal complexe dans un plan I, Q dans lequel sont également repérés les états de la constellation, et un dispositif de récupération de porteuse pour estimer et compenser des écarts de synchronisation entre la porteuse locale et le signal complexe, le dispositif comprenant a) un oscillateur local qui génère la porteuse locale, b) et des moyens de correction qui délivrent un signal de correction pour corriger l'oscillateur local, le signal de correction étant dépendant de zones du plan I, Q dans lesquelles est situé le point P. Elle concerne également un récepteur qui doit synchroniser un oscillateur local sur la porteuse d'un signal d'entrée modulé par sauts d'amplitude et par sauts de phase. En particulier, il peut s'agir de systèmes pour lesquels une information, après avoir été transmise par modulation d'une onde électromagnétique est restituée par démodulation cohérente. Ces systèmes trouvent leur application dans les modems de transmission de données, les faisceaux hertziens, les systèmes de communications spatiales ou optiques dans le cas de liaisons hétérodynes. Pour effectuer la démodulation cohérente, la phase de l'onde porteuse est restituée en général à l'aide d'un oscillateur placé dans une boucle de récupération de porteuse. Cet oscillateur est commandé en tension par une version filtrée du signal de sortie d'un détecteur de phase qui détecte l'écart de phase entre l'oscillateur et l'onde porteuse d'émission. Pour des modulations numériques à grand nombre d'états, l'écart de phase entre l'oscillateur et l'onde porteuse doit être impérativement limité à des petites valeurs. La bande de bruit de la boucle de récupération est alors réduite à l'aide d'un filtrage passe-bas étroit. Un dispositif de récupération de porteuse est décrit dans le brevet europeen n" 0118156. En représentant les composantes en phase I et en quadrature Q du signal complexe reçu dans un plan I, Q, ce document enseigne d'effectuer la synchronisation de l'oscillateur local, en appliquant à l'oscillateur local un signal de correction dépendant des zones du plan I, Q par rapport auxquelles le signal complexe d'entrée est situé. Par ailleurs, à l'émission, le signal complexe est issu d'un codage par sauts d'amplitude et par sauts de phase qui, dans le plan I, Q, donne lieu à une représentation par une constellation d'états. Les zones précédentes sont déterminées par rapport aux états de la constellation. Mais ce dispositif de récupération de porteuse n'a pas pour objet de minimiser la gigue de phase à l'état permanent. I1 est connu que dans un dispositif de récupération de porteuse opérant en boucle fermée, la gigue de phase minimale qu'il est possible d'atteindre. dite limite de Cramer-Rao, est donnée par la relation suivante o2 = 2 BL X T/SNR où a2 est la variance statique de phase, BL est la largeur de bande de boucle monolatérale. SNR est le rapport signal à bruit. T est la durée symbole. Le but de l'invention est de tendre vers cette limite pour assurer une synchronisation avec une gigue de phase la plus faible possible même en présence d'un rapport signal à bruit très faible. Ce but est atteint avec un système de transmission numérique du genre décrit dans le préambule dans lequel les moyens de correction sont tels que, d'une part, dans des premières zones non-jointives contenant individuellement un état de la constellation, le signal de correction est proportionnel à l'écart de phase mesuré entre le point P et l'état de la constellation le plus proche du point P et que, d'autre part, les moyens de correction sont tels que dans des secondes zones, extérieures aux premières zones, le signal de correction varie d'après ledit écart de phase pondéré par un coefficient de pondération qui décroit progressivement lorsque le point P passe d'une frontière de la première zone la plus proche du point P jusqutà une limite située à égale distance de couples d'états adjacents, la limite étant la limite la plus proche du point P. Préférentiellement, les moyens de correction comprennent une table de lecture qui est adressée par la composante en phase et par la composante en quadrature du signal complexe, la table délivrant le signal de correction adapté à chaque point du plan I, Q. Selon un autre mode de réalisation, les moyens de correction comprennent un détecteur de phase qui mesure les écarts de phase, des moyens de reconnaissance de zones qui délivrent des coefficients de pondération relatifs aux zones et des moyens pour pondérer par le coefficient de pondération y afférent l'écart de phase mesuré par le détecteur de phase et pour délivrer le signal de correction. Ces différents aspects de l'invention et d'autres encore seront apparents et élucidés à partir des modes de réalisation décrits ci-après. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes données à titre d'exemples non limitatifs qui représentent Figure 1 : un schéma d'un système de transmission numérique connu comprenant un émetteur de données, le canal de transmission et un récepteur de données. Figure 2 : une partie d'une constellation se rapportant à une modulation codée MAQ 16 représentée dans un quart de plan. Figure 3 : un diagramme montrant les perturbations apportées par le canal de transmission et par l'erreur de phase. Figure 4 : un diagramme montrant des zones contenant des états de la constellation intervenant dans la génération du signal de correction. Figure 5 : un schéma d'un récepteur muni d'un dispositif de récupération de porteuse selon l'invention avec un premier mode de réalisation des moyens de correction. Figure 6 : un schéma d'un récepteur muni d'un dispositif de récupération de porteuse selon l'invention avec un second mode de réalisation des moyens de correction. Figure 7 : un schéma d'un autre exemple de réalisation pour générer les coefficients de pondération dans les moyens de correction. Figure 8 : des courbes indiquant les performances du dispositif de récupération de porteuse selon l'invention en fonction du coefficient de pondération. La figure 1 représente un système de transmission numérique comprenant - un émetteur 1, muni d'une source 11 de données et de moyens de modulation 12 par une porteuse fo pour émettre les données, - un canal de transmission 3, - un récepteur 2 muni d'un démodulateur 22 suivi de moyens de filtrage 23 qui délivrent un signal p(t) en bande de base filtré, des moyens 24 pour échantillonner le signal p(t) filtré et délivrer des échantillons - un dispositif 30 de récupération de porteuse, - des moyens de décision 28 pour fournir des échantillons estimés dk des données émises par l'émetteur. Selon l'art antérieur connu le dispositif 30 de récupération de porteuse comprend un oscillateur local 31 qui délivre une porteuse f'O asservie à la fréquence de la porteuse de l'émetteur. La porteuse f'O entre dans le démodulateur 22 pour réaliser la démodulation du signal complexe r(t) reçu qui entre dans le récepteur. Pour corriger l'oscillateur local 31, le dispositif 30 de récupération de porteuse comprend des moyens 34 (par exemple un détecteur de phase) pour déterminer des zones du plan I, Q dans lesquelles se situe le signal complexe reçu (échantillons p), et pour déterminer des valeurs d'un signal de correction 8k qui dépend des zones dans lesquelles apparaît le signal complexe. Le signal de correction Ek est filtré dans des moyens de filtrage 32 qui délivrent un signal de correction filtré u(t) qui corrige l'oscillateur local 31. La figure 2 représente un exemple de constellation, représentée dans le plan I, Q des composantes en phase I et en quadrature Q, d'un signal issu d'une modulation par sauts d'amplitude et par sauts de phase. La figure 2 concerne à titre d'exemple une modulation MAQ 16 représentée dans un quart de plan. Il peut s'agir d'une autre modulation. Le quart de constellation est formé de quatre états (d,d), (d,3d), (3d,d), (3d,3d > . Les autres états dans les autres quarts de plan se déduisent par symétrie. La figure 3 représente un état E de la constellation. Supposons qu à l'émission, un symbole dk soit émis correspondant à cet état E. A la réception, ce symbole dk sera reçu avec un déplacement de phase (p ce qui transforme le symbole dk en un symbole dk.ejv qui lui-même peut être entaché d'un bruit nk, qui le transforme en un symbole Pk = dk. e" + Nk représenté par le point P. Le récepteur doit donc estimer un symbole Sk identique au symbole émis dk à partir du symbole pk. Ceci est obtenu par une opération de décision. Pour corriger l'erreur de phase , on utilise un détecteur d'erreur de phase qui délivre un signal de correction qui corrige l'oscillateur local. Le signal d'erreur de phase est donné, par exemple, par (1) k = Im {Pk X *k } où Im signifie "partie imaginaire de" et où d*k est le conjugué du symbole estimé dk, et X représente une multiplication. Une manière classique d'évaluer les performances du détecteur de phase consiste à mesurer la variance statique de phase 2, ou gigue de phase, dans la boucle de récupération de phase et à comparer cette gigue de phase avec une valeur limite minimale de gigue de phase, dite limite de Cramer-Rao, qui est telle que (2) a2 = 2 BL X T/SNR Or, il apparait expérimentalement qu'un détecteur de phase opérant selon l'équation (1) présente de bonnes performances à conditions que la décision qui génère le symbole estimé d k soit correcte. Dès que cette décision est erronée, le détecteur de phase n'a plus de bonnes performances. Selon l'invention on tient compte de la probabilité de bonne décision pour pondérer le signal de correction qui agit sur l'oscillateur local. Selon l'invention, (figure 4), on définit pour chaque état une zone, contenant l'état, dans laquelle la décision prise est considérée comme étant une bonne décision. A l'extérieur des zones, les décisions sont considérées comme étant moins bonnes et ceci d'autant plus que le symbole reçu, représenté dans le plan par le point P, s'écarte des zones contenant chaque état. Pour mettre ceci en oeuvre, selon l'invention, on définit un coefficient de pondération Yk qui vaut 1 lorsque le point P est situé à l'intérieur des zones contenant les états. Le coefficient de pondération Yk décroît progressivement lorsque le point P s'écarte desdites zones. Le symbole échantillonné reçu Pk = dk * eiç + peut être écrit en coordonnées cartésiennes tel que Pk = ak + j bk Lorsque le point P est situé dans les parties hachurées des figures 3 et 4, c'est-à-dire à lrextérieur des zones contenant les états, le coefficient de pondération est tel que Yk = z/(3cd) où z est égal à la plus petite des valeurs absolues de ak ou de bk, soit z = min (|ak|, |bk|) Sur la figure 4 sont représentées les zones zil, Z13, Z31, Z33 contenant respectivement les états (d,d) (d,3d) (3d,d) et (3d,3d). Le coefficient de pondération décroît jusqutâ des limites 40, 42, 44, 46 qui sont sensiblement situées à égales distances des états adjacents. Les zones Z13, Z31, Z33 ne sont pas limitées pour les valeurs élevées de ak et de bk. Elles peuvent avoir des formes différentes de celles représentées sur la figure 4. La figure 5 représente un mode de réalisation de l'invention. Les mêmes élements que ceux de la figure 1 sont identifiés avec les mêmes repères. Le dispositif 30 de récupération de porteuse comprend dans ce cas des moyens 34 pour délivrer un signal de correction k à partir des composantes ak et bk du signal complexe Pk en faisant d'une part que le signal de correction ek soit proportionnel à l'écart de phase mesuré entre le signal complexe (point P) et l'état de la constellation la plus proche du point P, lorsque le point P est à l'intérieur des zones Zil, Z13, Z31, Z33, et en faisant, d'autre part, que le signal de correction varie d'après ledit écart de phase mesuré auquel est appliqué un coefficient de pondération qui décroît progressivement de un vers sensiblement zéro entre un bord de zone et les limites préalablement définies, lorsque le point P est extérieur auxdites zones. Les moyens 34 sont préférentiellement constitués d'une table de lecture stockée par exemple dans une mémoire dans laquelle sont chargées préalablement les valeurs, qui viennent d'être définies, à donner au signal de correction k. Le signal de correction k remplace ainsi le signal de correction k de la figure 1. Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 6, les moyens de correction 34 sont légèrement modifiés pour y inclure un détecteur de phase. Celui-ci mesure l'écart de phase entre le symbole reçu (point P) et le symbole le plus proche de la constellation (point E) (figure 3) et délivre un signal de correction intermédiaire k. Les moyens de correction 34 comprennent aussi des moyens WCHT 44 pour définir les zones et déterminer les coefficients de pondération Yk qu'il faut appliquer compte tenu du signal complexe reçu Pk = ak + jbk. Des moyens 46 permettent ensuite de pondérer le signal de correction intermédiaire tk pour fournir le signal de correction k. Les moyens 44 pour définir les zones et déterminer les coefficients de pondération Yk sont dans ce cas réalisés préférentiellement sous la forme d'une table de lecture stockée dans des moyens de mémorisation, par exemple une mémoire. Ils peuvent également être réalisés selon le schéma de la figure 7. Dans ce cas un dispositif de comparaison 50 compare les valeurs absolues de ak et de bk et sélectionne celle qui est la plus petite pour former la donnée z telle que z = min (|ak IbkI) . Des moyens de division 52 de z par Ad délivrent un quotient z/ (AoD (connexion 53) qui est comparé à une valeur unité dans un comparateur 54 qui délivre un signal de sélection à un sélecteur 55 qui fournit le coefficient de pondération Yk se rapportant au signal Pk tel que Yk = 1 si z Yk = Z/ (ld) si z La figure 8 représente les performances obtenues avec un dispositif de récupération de porteuse selon l'invention dans le cas d'une modulation QPSK. L'axe des abscisses correspond au coefficient de pondération A, l'axe des ordonnées correspond à la dégradation D exprimée en décibels (dB) mesurée entre la gigue de phase minimale, dite limite de Cramer-Rao et celle obtenue par l'invention, Les courbes sont paramétrées par des valeurs de rapport signal/bruit SNR exprimées en décibels (dB). Les courbes concernent un exemple pour lequel on a BL x T = 0,002. Lorsque A = O on obtient la situation d'un dispositif de récupération de porteuse ne mettant pas en oeuvre l'invention. On observe qu'il existe une valeur optimale du coefficient de pondération A qui permet d'améliorer les performances obtenues vis-à-vis de celles d'un dispositif de récupération de porteuse ne mettant pas en oeuvre l'invention. Cette valeur optimale dépend du rapport signal/bruit SNR. L'amélioration est importante lorsque le rapport signal/bruit est faible. Elle devient plus faible lorsque le rapport signal/bruit est élevée ce qui est dû au fait que les décisions effectuées par les moyens de décision 28 (figures 5 et 6) sont presque toujours correctes. REVENDICATIONS 1. Système de transmission numérique de données comportant un récepteur muni de moyens de détection pour séparer un signal complexe reçu, codé d'après des états d'une constellation, en une composante I en phase et une composante Q en quadrature avec une porteuse locale, les deux composantes définissant un point P représentant le signal complexe dans un plan I, Q dans lequel sont également repérés les états de la constellation, et un dispositif (30) de récupération de porteuse pour estimer et compenser des écarts de synchronisation entre la porteuse locale et le signal complexe, le dispositif comprenant a) un oscillateur local (31) qui génère la porteuse locale, b) et des moyens de correction (34) qui délivrent un signal de correction pour corriger l'oscillateur local, le signal de correction étant dépendant de zones du plan I, Q dans lesquelles est situé le point P, caractérisé en ce que les moyens de correction (34) sont tels que, d'une part, dans des premières zones non-jointives contenant individuellement un état de la constellation, le signal de correction est proportionnel à l'écart de phase mesuré entre le point P et l'état de la constellation le plus proche du point P et que, d'autre part, les moyens de correction sont tels que dans des secondes zones, extérieures aux premières zones, le signal de correction varie d'après ledit écart de phase pondéré par un coefficient de pondération qui décroît progressivement lorsque le point P passe d'une frontière de la première zone la plus proche du point P jusqu'à une limite située à égale distance de couples d'états adjacents, la limite étant la limite la plus proche du point P. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de correction (34) comprennent une table de lecture qui est adressée par la composante en phase et par la composante en quadrature du signal complexe, la table délivrant le signal de correction adapté à chaque point du plan I, Q. 3. Système selon la revendication ljcaractérisé en ce que les moyens de correction (34) comprennent a) un détecteur de phase (42) qui mesure les écarts de phase, b) des moyens (44) de reconnaissance de zones qui délivrent des coefficients de pondération relatifs aux zones, c) et des moyens (46) pour pondérer par le coefficient de pondération y afférent l'écart de phase mesuré par le détecteur de phase (42) et pour délivrer le signal de correction. 4. Récepteur comportant un dispositif de récupération de porteuse selon une des revendications 1 à 3.