Brevet FR2731572A1 — publié le 19960913

Signal modulé en phase et portant une surmodulation hiérarchique, dispositif d'émission et récepteurs correspondants. Le domaine de l'invention est celui de la transmission de signaux numériques vers un ou plusieurs récepteurs. Plus précisément, l'invention concerne les techniques de modulation hiérarchique, consistant à "surmoduler" par un second signal source une fréquence porteuse déjà modulée en phase par un premier signal source. Un domaine privilégié de l'invention est celui des signaux mettant en oeuvre une pluralité de fréquences porteuses modulées chacune en modulation de phase par le premier signal source. Toutefois, il est clair que l'invention s'applique également, sans restriction, aux signaux monoporteuses, dès lors que la première modulation est une modulation de phase. Les signaux multiporteuses sont généralement désignés par le terme FDM (Frequency Division Multiplex (multiplex de fréquences)). Un exemple particulier de ces signaux, auquel d'applique notamment l'invention, est les signaux OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex (multiplexage de fréquences orthogonales)). Un signal OFDM est par exemple utilisé dans le système de diffusion numérique décrit notamment dans le brevet français FR 86 09622 déposé le 2 juillet 1986 et dans le document "Principes de modulation et de codage canal en radiodiffusion numérique vers les mobiles" (M. Alard et R. Lassalle; Revue de rUER, n 224, août 1987, pp. 168- 190), et connu sous le nom de système COFDM (Coded Othogonal Frequency Division Multiplex (multiplexage de fréquences orthogonales codées)). Ce système COFDM a notamment été développé dans le cadre du projet européen DAB (Digital Audio Broadcasting (diffusion audionumérique)). Il est également candidat à la normalisation pour la diffusion terrestre de la télévision numérique. On connaît déjà des techniques de modulation hiérarchique, ou surmodulation. Classiquement, ces techniques peuvent être analysées comme des additions de deux modulations successives sur une même fréquence porteuse. En se référant à la figure 1, la première modulation définit un premier vecteur de modulation 11 dont l'amplitude, la fréquence et/ou la phase correspond à une valeur du premier signal source. La seconde modulation consiste à ajouter un second vecteur de modulation 12 au premier 11, selon une seconde modulation. En d'autres termes, la seconde modulation est une modulation classique, mais appliquée sur une origine variable 13, correspondant à l'extrémité du premier vecteur 11. On comprend aisément que la seconde modulation affecte la première, le vecteur résultant des deux modulations ne correspondant forcément pas exactement à une valeur prédéfinie de modulation. L'amplitude de la seconde modulation doit donc être limitée, de façon qu'elle n'entraîne pas une interprétation erronée de la première. En particulier, lorsque la première modulation est une modulation de phase, la seconde induit des décalages de phase D nuisibles à la réception. En conséquence, ces techniques sont difficilement utilisables dans le cas de canaux de transmission perturbés, par des brouilleurs, des parasites, des échos,... C'est notamment le cas lorsque la première modulation est une modulation de phase. La seconde modulation induit un déphasage intempestif, du point de vue de la première. En particulier, ces techniques ne sont pas utilisables lorsque les perturbations sont du même ordre de grandeur que la seconde modulation. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients et ces limites de l'état de la technique. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un signal qui permette de transmettre plus d'informations, par rapport aux signaux connus, sans nécessiter une augmentation de sa bande passante, ni une importante augmentation de la sensibilité (donc de la complexité et du coût des récepteurs). Ainsi, un objectif particulier de l'invention est de fournir une technique permettant de transmettre un signal supplémentaire à un premier signal, sans modification de la bande passante ni des récepteurs conçus pour recevoir le premier signal. Un autre objectif de l'invention est de fournir une technique permettant une démodulation aisée des signaux source, par rapport aux techniques connues, même en présence de perturbations du canal de transmission. En conséquence, un objectif de l'invention est de fournir un signal permettant la distinction d'au moins deux types de récepteurs, capables de décoder des données au moins partiellement distinctes mais émises sur la (les) même(s) fréquence(s). L'invention a également pour objectif de fournir une technique de surmodulation applicable aisément et à faible coût aux signaux multiporteuses. Un objectif particulier de l'invention est ainsi de fournir un tel signal qui soit compatible avec les techniques de diffusion normalisées ou en cours de normalisation, et par exemple le DAB. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un signal destiné à être transmis vers au moins un récepteur, formé d'au moins une fréquence porteuse modulée en modulation de phase par un premier signal source, ladite modulation de phase associant à un élément numérique dudit premier signal source un vecteur de modulation choisi parmi un jeu de vecteurs de modulation prédéterminés ayant un même module de base (m) et des phases différentes, signal dans lequel au moins à certains instants, le module dudit vecteur de modulation est modifié en fonction d'un second signal source, la phase de ce vecteur de modulation restant inchangée. Ainsi, selon l'invention, on applique une surmodulation sur un signal déjà modulé en phase, mais sans modifier la phase du signal de base. Ainsi, la démodulation en phase n'est pas, ou très peu perturbée. Seul le module du vecteur de modulation est modifié, et l'analyse de ce dernier permet de reconstruire le second signal. En d'autres termes, la surmodulation de l'invention agit de façon multiplicative sur le vecteur de la première modulation. Cette technique nouvelle est totalement différente de la technique classique, basée sur une approche additive, ainsi que cela a été décrit précédemment. Contrairement à l'invention, cette technique connue induit systématiquement des déphasages néfastes à la réception. nl est à noter que selon l'invention, la seconde modulation ne joue que sur le module du vecteur de modulation. La phase de ce vecteur est, du point de vue de la seconde modulation, quelconque et sans conséquence pour la démodulation. De façon avantageuse, ledit module peut prendre deux valeurs de module (m(l+d) et m(l-d)) symétriques par rapport audit module de base (m). En d'autres termes, on ajoute au vecteur de base un vecteur qui lui est colinéaire, dont le module est fixe (m.d) mais dont le sens (ou la polarité) peut changer. Dans ce cas, l'affectation desdites valeurs de module est avantageusement effectuée selon un codage par transition, la valeur de module à l'instant n+1 étant égale à la valeur à l'instant n si l'élément binaire an dudit second signal source à transmettre est égal à une première valeur binaire et à l'autre valeur de module si an est égal à une seconde valeur binaire. Selon une caractéristique particulière de l'invention, ledit signal peut comprendre une pluralité de fréquences porteuses émises simultanément, au moins certaines desdites fréquences porteuses portant, pendant au moins certaines périodes de temps, un vecteur de modulation dont la phase correspond à ladite première modulation et dont le module est modifié en fonction dudit second signal source. De façon avantageuse, les éléments de données formant ledit second signal source subissent un codage canal destiné à les protéger contre les erreurs de transmission et/ou un entrelacement en temps et/ou en fréquence. Préférentiellement, cet entrelacement est identique à celui mis en oeuvre pour le premier signal source, par souci de simplification. Lorsque ledit signal est organisé en trame de symboles,la modification dudit module en fonction dudit second signal source peut avantageusement être effectuée sélectivement sur certains symboles de ladite trame de symboles et/ou sur certaines desdites fréquences porteuses. Notamment, les symboles les plus importants peuvent ne pas être surmodulés, afin de garantir une qualité de réception optimale. Plus généralement, le taux de surmodulation (le rapport entre le module de base et le module final) peut être adapté en fonction des informations portées par le premier signal. Ce rapport peut par exemple être choisi entre 0 et 1/4. Notamment, si ladite trame comprend un entête d'information rapide, ladite modification n'est préférentiellement pas effectuée sur ledit entête. Par ailleurs, dans le cas des signaux multiporteuses, la sélectivité peut également porter sur l'espace fréquentiel (non surmodulation des fréquences pilotes par exemple). De façon préférentielle, en particulier lorsqu'un codage par transition est mis en oeuvre, le signal de l'invention comprend régulièrement un symbole de référence, connu des récepteurs, permettant la l'initialisation de la modulation dudit second signal source. L'invention concerne également les dispositifs d'émission d'un tel signal. Selon un mode de réalisation particulier, ils peuvent comprendre des moyens de calcul d'un vecteur de modulation xn = (l+d).zn,, o: zn est le signal modulé dudit premier signal source; +d est une valeur correspondant au codage par transition des éléments binaires formant ledit second signal source. L'invention concerne encore les récepteurs du signal de l'invention. Il apparaît clairement que ce signal permet de définir au moins trois types de récepteurs, selon qu'ils sont prévus pour recevoir le premier ou le second signal source, ou les deux. Dans le cas de récepteurs recevant le second signal source, ils peuvent par exemple comprendre des moyens d'extraction du module an de chacun desdits vecteurs de modulation et des moyens de comparaison de la différence Ian-an l à un seuil S, délivrant des estimations des éléments binaires dudit second signal source. Avantageusement, ledit seuil S est égal à pd, o p représente une estimation de l'atténuation du canal. p peut être pris égal à ocn. Les applications de l'invention sont très nombreuses. le premier signal source peut être par exemple un signal (ou plusieurs) sonore (DAB), un signal de télévision, un signal de données, ou plus généralement tout multiplex de ces signaux. Le second signal source peut également être quelconque. Il peut être complètement indépendant (données de radiocommunication ou données de contrôle,...) ou être un complément au premier signal (commentaires ou images accompagnant un signal de radiodiffusion, sous-titrage, données permettant d'améliorer la qualité du premier signal, etc...). Il est même envisageable que le premier et le second signaux forment deux sous-ensembles d'un unique signal. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 illustre une technique connue de surmodulation, déjà discutée précédemment; - la figure 2 présente un signal selon l'invention, portant un premier signal source modulé en phase, et un second signal source agissant sur le module du vecteur de modulation; - la figure 3 illustre le principe de la démodulation du second signal source de la figure 2; - la figure 4 illustre un signal multiporteuse, dont chaque fréquence porteuse peut être modulée selon la technique illustrée en figure 2; - la figure 5 est un synoptique général d'un dispositif d'émission d'un signal selon les figures 2 ou 4; - les figures 6 et 7 illustrent deux modes de réalisation particuliers des moyens de modulation du dispositif de la figure 5; - la figure 8 est un schéma synoptique d'un récepteur d'un signal selon les figures 2 ou 4. Comme indiqué précédemment, le signal de l'invention permet de transmettre simultanément deux signaux source à l'aide d'une seule fréquence: - un premier signal source (correspondant à une première modulation) modulant en phase cette fréquence porteuse; - un second signal source (correspondant à une deuxième modulation ou surmodulation) modifiant le module du vecteur correspondant à la première modulation, mais conservant sa phase intacte. Bien sûr, cette approche peut être aisément généralisée à des signaux multiporteuses. La figure 2 illustre le principe de l'invention, dans le cas d'une première modulation à 4 états de phase (MDP4) et d'une seconde modulation à deux états. La modulation MDP4 est notamment utilisée pour le système DAB. Classiquement, une modulation de phase est basée sur une constellation d'états possibles 211 à 214, correspondant chacun à un vecteur de modulation 221 à 224 ayant un même module am mais des phases (pl à qp4 différentes. La seconde modulation consiste à ajouter au premier vecteur 221 un second vecteur (23 ou 24) qui lui est colinéaire. Selon une autre approche, elle consiste à appliquer un coefficient multiplicateur au module du vecteur 22 l.Ce coefficient vaudra par exemple l+d ou l-d, dans le cas d'une surmodulation à deux états. d est préférentiellement très inférieur à 1 pour limiter l'effet de la surmodulation par rapport à la première modulation. Selon un mode de réalisation avantageux, le second signal source est codé à l'aide d'un codage par transition. Le signal de sur- modulation est alors défini de la manière suivante: an (n étant l'indice du temps) désignant le signal de données, la polarité du vecteur de sur- modulation (de module d) de la figure 1 ne sera pas modifiée entre l'instant n et n+ 1 si an = 0 et sera inversée si an = 1. Cette technique nécessite préférentiellement la présence d'un symbole dédié d'initialisation du codage par transition. Ainsi, il apparaît clairement que la surmodulation n'induit aucune modification, même minime, de la phase. La perturbation produite est donc faible. Bien sûr, l'invention peut être généralisée aux autres modulations de phase connues (par exemple à 8, 16, 32 et plus généralement 2n (n entiers) états). Par ailleurs, la surmodulation peut prendre plus de deux états, en affectant à chaque état un coefficient multiplicateur distinct. Les démodulations de chacun des deux signaux source sont aisées et peuvent être effectuées indépendamment. La démodulation du premier signal source est une démodulation de phase classique. Le principe de la démodulation du second signal source est illustré par la figure 3. On extrait le module 31 du vecteur reçu ("mise à plat" de ce vecteur), on repère la base 32 de la surmodulation (ce qui revient à soustraire le module m du vecteur de base), puis on recherche le point de la constellation surimposée le plus probable, parmi les points possibles 33, 34. Selon une autre approche, la démodulation peut consister à comparer directement le module reçu avec les modules possibles m(l+d) et m(1-d). Dans la pratique, le module reçu est atténué d'un facteur p. dont la prise en compte est décrite par la suite. Comme indiqué précédemment, l'invention permet de définir des signaux multi- porteuses, dont chaque fréquence porteuse porte les deux modulations décrites. Par exemple, l'invention permet de transmettre un signal source surmodulé sur un signal de type DAB, tel que normalisé. La figure 4 donne un exemple d'un tel signal. Plus précisément, cette figure illustre une trame d'un signal organisé selon la norme DAB. Cette trame comprend un canal de synchronisation 48, suivi d'un entête, ou "canal d'information rapide" (FIC) 41 et un canal principal MSC 42, qui peut être organisé en plusieurs sous-canaux indépendants SC 1 à SCN. Classiquement, le canal de synchronisation comprend un symbole blanc de synchronisation 43, un symbole de synchronisation temporelle et fréquentielle 44 (TFPR). Le canal FIC est constitué d'un ensemble de symboles de données, par exemple pour décrire la structure de la trame. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le FIC comprend encore un symbole 45 de référence pour la démodulation du second signal, notamment si celui-ci est codé par transition comme décrit plus haut. Du fait de l'importance de cet entête (FIC), il est souhaitable qu'elle ne porte pas de surmodulation, celle-ci étant réservée au MSC. Dans ce cas, le symbole de référence est placé (46) au début du MSC (les positions 45 et 46 sont des alternatives). Si nécessaire, elle peut également être mise en oeuvre de façon sélective, en fonction des canaux. Par exemple, si le canal SC2 contient des données essentielles, dont aucune ne doit manquer, on évitera de lui appliquer une surmodulation. Il est à noter que cette méthode peut également être appliquée aux signaux monoporteuses. La même approche peut être prise sur le plan fréquentiel: certaines fréquences porteuses peuvent être, au moins à certains instants, non surmodulées. Cela peut par exemple être le cas des fréquences porteuses portant des pilotes de référence de fréquence, ou de fréquences porteuses systématiquement perturbées. La figure 5 présente un synoptique d'un dispositif d'émission d'un tel signal. Ce dispositif reçoit en entrée deux signaux source Yn et an à transmettre. ces deux signaux source peuvent être complètement indépendants, concerner la même application (signal de base et signal complémentaire par exemple) ou encore être deux sous- ensembles d'un même signal source. Par exemple, le signal dn peut être le signal source DAB de type connu, et le signal an peut être un fux de données binaires quelconque. Chaque signal subit un codage canal 51, 52 spécifique, adapté au signal source, puis, éventuellement, un entrelacement en temps et/ou en fréquence 53, 54. Dans ce dernier cas, il est avantageux pour limiter la complexité des récepteurs communs aux deux signaux, que les entrelacements 53, 54 soient les mêmes. On détermine ensuite la phase (55) à appliquer à chaque fréquence porteuses, en fonction du premier signal source. Parallèlement, on effectuée un codage par transition (56) des éléments numériques du second signal, puis on détermine le module (57) à appliquer pour la surmodulation. La fréquence porteuse est alors modulée (58) avec cette phase et ce module. On décrit maintenant plus précisément deux façons de réaliser cette modulation. On considère la modulation différentielle du signal DAB (voir Final Draft prETS 300401, subclause 14.7, p. 171) définie par la relation: Zn=Zn-l. Yn, o : - n est l'indice du temps (l'indice des fréquences étant omis), Yn désigne le premier signal de données prenant une des quatre valeurs 1/12 ( +l+i), - Zn désigne le signal émis à l'instant n supposé de module unitaire. A ce signal est superposé, par addition complexe, le signal de surmodulation défini précédemment, de valeur +d.zn, pour former le signal émis Xn = ( l+d).zn-. Un premier mode de réalisation d'un modulateur correspondant est illustré en figure 6. Les valeurs yn alimentent un multiplieur 61, recevant également les valeurs zn-l, pour former les valeurs Zn. Celle-ci est retardée (62) de la durée D d'un symbole, pour fournir la valeur Zn-l. Dans le même temps, les valeurs an du second signal source sont reçues dans un codeur par transition 63, qui délivre les valeurs +d. Un second retard D 64 délivre au codeur 63 la valeur précédente. Un multiplieur 65 effectue le produit +d.zn (on constate donc que la phase est celle imposée par le premier signal source. Le second signal source n'influence en aucune manière celle-ci). Ensuite, un additionneur 66 additionne Zn et d.zn pour produire le signal à émettre: Xn = (l+d).zn La figure 7 présente une autre technique pour produire ce signal xn. Les valeurs zn sont obtenues de la même façon que dans le cas de la figure 5, à l'aide d'un multiplieur 61 et d'un retard 62. Un multiplieur 71 effectue le produit entre zn et l+d ou 1-d pour fournir xn. Ces deux dernières données sont délivrées par un sélecteur 72 piloté par une donnée binaire "sel" correspondant au codage par transition de an. A nouveau, on constate que la seconde modulation n'agit que sur le module du vecteur de modulation. Plus précisément, "sel" est égal à la somme (modulo 2) 73 de an et de la sortie du retard 74. La figure 8 est un synoptique d'un mode de réalisation d'un récepteur du signal émis par les dispositifs des figures 6 et 7, prévu pour recevoir les deux signaux source. Le signal reçu 81 est classiquement ramené (82) en bande de base et filtré. Dans le cas d'un signal multiporteuse, chaque fréquence porteuse est extraite, par exemple à l'aide d'une transformation de Fourrier (FFT). Chaque porteuse est ensuite traitée dans deux chaînes distinctes. La chaîne I effectue classiquement une démodulation de phase 83, le désentrelacement 84 (si le signal a été entrelacé à l'émission) puis le décodage 85 permettant de reconstituer une estimation 86 du premier signal source. La chaîne II est spécifique à la réception du signal surmodulé selon l'invention. On récupère (87) le module du vecteur de modulation, puis on compare (88) ce module avec un ou plusieurs seuils (en fonction de la surmodulation utilisée). Ces seuils tiennent compte, bien sûr, de l'atténuation p du canal sur chaque symbole. En effet, le signal reçu a pour module ao = p (1 + d), p désignant l'atténuation du canal sur le symbole considéré, comme illustré en figure 3. Le démodulateur doit donc réaliser l'opération (In-a-n lI-S), ou S représente un seuil qui idéalement devrait être égal à pd. Or p n'est pas connu, il faudrait estimer le canal pour le connaître. On fait donc l'approximation p=tan. Le seuil S vaut donc daOn. Cette opération est décrite dans le tableau suivant: I1 an lXn.lll _lxnll lan-OInl I S (Ian-Cn-l I-S) 0 1-d l-d 0 pd(l-d) -pd(1-d) 0 l+d l+d 0 pd(l+d) -pd(l+ d) I 1-d l+d 2 pd pd(l+d) pd(1-d) 1 l+d l -d 2 pd pd(1-d) pd(l+d) On réalise ensuite, si nécessaire, le désentrelacement 89, puis le décodage 810 fournissant une estimation 811 du second signal source. Si la surmodulation est émise sélectivement, le récepteur connaît, soit dès l'origine, soit par une diffusion régulière d'informations, les emplacements et/ou les instants de transmission correspondants. Comme déjà indiqué, le signal de l'invention permet de réaliser plusieurs types de récepteurs. Notamment, si les signaux source sont tout à fait indépendants, il est possible de créer: - des récepteurs comprenant la chaîne I (par exemple des récepteurs DAB classiques); - des récepteurs comprenant seulement la chaîne II (par exemple des récepteurs de radiomessagerie ("paging")); - des récepteurs comprenant les deux chaînes I et II. Si les signaux source sont liés, le premier signal source étant un signal de base et le second un signal complémentaire, on peut prévoir deux niveaux de qualité de récepteurs: - un premier niveau comprenant la chaîne I (récepteurs classiques); - un second niveau comprenant les deux chaînes I et II pour fournir un signal de qualité supérieur, à partir des deux signaux source. REVENDICATIONS 1. Signal destiné à être transmis vers au moins un récepteur, formé d'au moins une fréquence porteuse modulée en modulation de phase par un premier signal source, ladite modulation de phase associant à un élément numérique dudit premier signal source un vecteur de modulation choisi parmi un jeu de vecteurs de modulation prédéterminés (211 à 214) ayant un même module de base (m) et des phases différentes, caractérisé en ce que, au moins à certains instants, le module dudit vecteur de modulation est modifié en fonction d'un second signal source, la phase de ce vecteur de modulation restant inchangée. 2. Signal selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit module peut prendre deux valeurs de module (m(l+d) et m(1-d)) symétriques par rapport audit module de base (m). 3. Signal selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'affectation desdites valeurs de module est effectuée selon un codage par transition (63), la valeur de module à l'instant n+l étant égale à la valeur à l'instant n si l'élément binaire an dudit second signal source à transmettre est égal à une première valeur binaire et à l'autre valeur de module si an est égal à une seconde valeur binaire. 4. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de fréquences porteuses (47) émises simultanément, au moins certaines desdites fréquences porteuses portant pendant au moins certaines périodes de temps un vecteur de modulation dont la phase correspond à ladite première modulation et dont le module est modifié en fonction dudit second signal source. 5. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments de données formant ledit second signal source subissent un codage correcteur d'erreurs (52) et/ou un entrelacement en temps et/ou en fréquence (54). 6. Signal selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits premier et second signaux source subissent des entrelacements en temps et/ou en fréquence identiques (53, 54). 7. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit signal est organisé en trame de symboles, et en ce que la modification dudit module en fonction dudit second signal source est effectuée sélectivement sur certains symboles de ladite trame de symboles et/ou sur certaines desdites fréquences porteuses. 8. Signal selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite trame comprend un entête d'information rapide (FIC), et en ce que ladite modification n'est pas effectuée sur ledit entête. 9. Signal selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend régulièrement un symbole de référence (45, 46), connu des récepteurs, permettant le décodage dudit second signal source. 10. Dispositif d'émission d'un signal selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (56) de calcul d'un vecteur de modulation Xn = ( l+d).zn, o: Zn est un signal modulé représentant ledit premier signal source; d est une valeur prédéterminée comprise strictement entre 0 et 1. 1 1. Récepteur d'un signal selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens 87) d'extraction du module cn de chacun desdits vecteurs de modulation et des moyens (88) de comparaison de la différence I atn-tnl I à un seuil S, délivrant des estimations des éléments binaires dudit second signal source. 12. Récepteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit seuil S est égal à pd, o p représente une estimation de l'atténuation du canal. 1 3. Récepteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que p est égal à an.