Brevet FR2736487A1 — publié le 19970110

Système de détection de la présence ou de l'absence d'une onde porteuse d'un signal numérique et récepteur comprenant un tel système Le domaine de l'invention est celui des télécommunications numériques, notamment par satellite, et concerne plus précisément un dispositif de détection de la présence ou de l'absence d'une onde porteuse d'un signal reçu par un récepteur, cette onde porteuse étant modulée par un signal numérique à la fréquence d'une horloge rythme (encore appelée horloge symbole). L'invention s'applique à tout type de modulation numérique, par exemple aux modulations par déplacement de phase (M DP-M, Modulation de phase à M états) ou plus généralement aux modulations d'amplitude et de phase (MDAP-M, Modulation de phase et d'amplitude à M états) et à celles notamment utilisées dans les systèmes de télécommunications AMRT (Accès multiple à répartition dans le temps), AMRF (Accès multiple à répartition de fréquences) ou SCPC (Single Carrier Per Channel). L'invention peut s'appliquer à la détection d'une porteuse (par exemple de type MDP-2 ou MDP-4) avant démodulation du signal reçu, cette démodulation consistant en des traitements de synchronisation et de décision permettant de restituer le signal numérique, dans le contexte d'une transmission par satellite. Dans un tel contexte, trois problèmes majeurs se posent: - la bande de la porteuse peut être inférieure aux incertitudes de fréquence de la liaison satellite. Ces incertitudes peuvent être d'origines diverses : faible stabilité relative des oscillateurs locaux des équipements de transposition de fréquence, présence d'effet Doppler, dérive du satellite,.... En conséquence, il faut pouvoir tolérer un important écart de fréquence entre la porteuse reçue et l'oscillateur local de démodulation - la porteuse peut être absente ou présente (transmission en mode SCPC) - la détection de la porteuse doit être rapide (notamment en transmission en mode AMRT) et fiable, malgré un rapport Eb/No proche de 2 dB sans codage de l'information. Plus précisément, le système de détection de l'invention doit pouvoir s'intégrer dans un récepteur tout numérique, la détection s'opérer avant démodulation et les conditions de bruit doivent pouvoir être défavorables (EblNo = 2 dB). De plus, la détection doit pouvoir être réalisée rapidement, avec une durée maximale avoisinant une centaine de temps symbole. On connaît un système de détection de présence ou d'absence d'une onde porteuse basé sur l'établissement d'un histogramme de phase du - signal échantillonné. La détection d'une non-uniformité de cet histogramme est révélatrice de la présence d'une onde porteuse. La figure 1 représente la constellation d'un signal de type MDP-4 reçu et les phases O-i observées. Les axes représentant les porteuses en quadrature de phase sont notés P et Q. A chaque nouveau symbole reçu (la récupération de rythme est supposée déjà acquise), la différence e1 = (Oi - i-1) modulo +7r/4 est calculée. A partir des écarts de phase O"i observés, on construit un histogramme d'écarts de phases tel que celui représenté à la figure 2. Cet histogramme comporte ici 4 classes et est obtenu en incrémentant la classe correspondant à e et en décrémentant de la même quantité la classe AGIk-N où N est la fenêtre d'analyse exprimée en nombre de symboles.L'accumulation des écarts de phases Api se traduit, en présence d'un signal effectivement reçu et non en présence de bruit, par un écart D (avec supérieur à une valeur de seuil prédéfinie. L'inconvénient de cette méthode est qu'en présence de bruit ou de fortes dérives en fréquence, on observe une uniformisation des écarts de phase et la valeur de seuil n'est pas atteinte malgré la présence d'une porteuse. Si la valeur de seuil est diminuée, le taux de fausses alarmes devient trop important. En conséquence, cette méthode n'est pas applicable aux signaux présentant des dérives de fréquences importantes entre les fréquences porteuse et de démodulation, ou aux signaux fortement bruités. La présente invention a pour objectif de remédier à cet inconvénient. Plus précisément, un des objectifs de l'invention est de fournir un système numérique de détection de la présence ou de l'absence d'une onde porteuse d'un signal se présentant à une fréquence rythme donnée, ce systéme alliant rapidité, fiabilité, fonctionnement avec un rapport Eb/No proche de 2 dB et peu sensible aux dérives de fréquence de l'onde porteuse. Un autre objectif est de fournir un tel système où la fiabilité de la détection est peu dépendante du rapport Eb/No. Un objectif complémentaire est de simplifier la réalisation d'un tel système de détection en le combinant avec un estimateur de rythme de type Oerder et Meyr. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un système de détection de la présence ou de l'absence d'une onde porteuse d'un signal numérique se présentant à une fréquence rythme donnée, le système comprenant des moyens d'échantillonnage à une fréquence au moins quadruple de la fréquence rythme fournissant à chaque temps symbole quatre échantillons en bande de base du signal numérique, ce système étant caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens d'élévation au carré du module de l'enveloppe complexe du signal numérique - des premiers moyens d'accumulation des différences entre les échantillons pairs de l'enveloppe complexe élevée au carré - des seconds moyens d'accumulation des différences entre les échantillons impairs de l'enveloppe complexe élevée au carré - des moyens de calcul de l'énergie comprise dans les moyens d'accumulation, fournissant une énergie relative indicative de la présence ou de l'absence d'un signal à la fréquence rythme dans le signal reçu - des moyens d'accumulation des échantillons de la composante continue de l'enveloppe complexe élevée au carré, fournissant une énergie relative de la composante continue du signal reçu - des moyens de comparaison, avec une valeur de seuil prédéterminée, du rapport entre l'énergie relative indicative de la présence ou de l'absence d'un signal à la fréquence rythme dans le signal reçu et de l'énergie relative de la composante continue du signal reçu, ces moyens de comparaison fournissant un signal indicatif de la présence ou de l'absence de l'onde porteuse. Avantageusement, les moyens d'élévation au carré et les premiers et seconds moyens d'accumulation sont partagés avec un estimateur de type Oerder et Meyr. L'invention concerne également un récepteur comprenant un tel système de détection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente la constellation d'un signal de type MDP-4 reçu et les phases e observées - la figure 2 représente un histogramme d'écarts de phases issu de la constellation de la figure 1; - la figure 3 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation préférentiel du système de détection de l'invention; - les figures 4A et 4B montrent des spectres de signal reçu, respectivement en présence et en l'absence d'onde porteuse - la figure 5 représente le spectre du module d'un signal de type MDP-4 élevé au carré en présence de bruit (Eb/No = 2 dB). Les figures 1 et 2 ont été décrites précédemment en référence à l'état de la technique. La figure 3 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation préférentiel du système de détection de l'invention. Le système de détection, généralement référencé par 30, est ici réalisé à l'aide d'un estimateur de rythme de type Oerder et Meyr, destiné à assurer un pointage du centre de l'oeil du signal transposé en fréquence. On pourra se référer à l'article "Digital Filter and Square Timing Recovery" de Martin Oerder et Heinrich Meyr, Transactions on Communications, vol.36, n"5, mai 1988, pp.605 à 612 qui décrit un tel estimateur. A cet estimateur connu a été rajouté un ensemble de modules 31 assurant, à l'aide d'une partie de l'estimateur de rythme, une fonction de détection de présence ou d'absence d'une onde porteuse. L'estimateur de rythme comporte des moyens 32 d'élévation au carré du module de l'enveloppe complexe du signal numérique se présentant au rythme de 4 échantillons complexes par temps symbole (4eps). Ces échantillons proviennent d'un convertisseur analogique-numérique placé en amont (non représenté), ou éventuellement d'un filtre interpolateur assurant une augmentation du nombre d'échantillons si celui-ci est insuffisant après échantillonnage. Les échantillons élevés au carré sont appliqués à des premiers moyens d'accumulation 33, 35 qui accumulent les différences entre les échantillons pairs de l'enveloppe complexe élevée au carré. Les moyens 33 calculent rk-4 - rk-2 où rk constitue un échantillon et les moyens 35 accumulent ces différences par une fonction 1/(1 - aZ-1) avec -a- la constante de temps. L'accumulation est donc réalisée par un filtre à réponse impulsionnelle infinie (IFIR) très simple et assure une fonction d'intégration numérique des différences calculées. De même, des seconds moyens d'accumulation 34, 36 accumulent les différences entre les échantillons impairs de l'enveloppe complexe élevée au carré. Les moyens 34 calculent rk-3 - rk-l et les moyens 36 accumulent ces différences, également par une fonction 1/(1 - aZ-1). La référence temporelle à partir de laquelle on décide quels sont les échantillons pairs et quels sont les échantillons impairs est quelconque. Les accumulations 35 et 36 sont par exemple réalisées sur 64 ou 128 temps symboles et fournissent respectivement des niveaux Y et X à un module de calcul 37 fournissant en sortie un signal d'estimation de phase 0A égal à arctg (Y/X). Le signal d'estimation de phase est divisé par 2sr (module 38) pour A fournir une estimation Ê du déphasage du pointage de l'oeil à Ts/8 près où Ts est le temps symbole. L'estimation Ê est fournie à un interpolateur 39 recevant par ailleurs, tous les Ts, quatre échantillons complexes d'entrée, par l'intermédiaire d'une unité à retard 40. L'interpolateur 39 fournit en réponse un échantillon complexe par temps symbole, cet échantillon complexe représentant l'information exempte d'interférence inter-symboles sur laquelle sera prise la décision finale. L'ensemble de modules 31, rajouté à cet estimateur de rythme, comprend des moyens 41 de calcul de l'énergie comprise dans les moyens d'accumulation 35 et 36. Les moyens de calcul 41 fournissent un niveau d'énergie relatif R, égal A A à X.cosO + Y.sinO, indicatif de la présence ou de l'absence d'un signal à la fréquence rythme compris dans le signal reçu. Ce niveau d'énergie relatif est appliqué à l'entrée de moyens de comparaison 42 recevant par ailleurs un niveau d'énergie relatif de la composante continue du signal reçu, ce niveau relatif étant fourni par des moyens d'accumulation 43.Plus précisément, les moyens d'accumulation 43 reçoivent en entrée les échantillons de la composante continue de l'enveloppe complexe élevée au carré et fournissent un niveau accumulé égal à rk.(1-a)I(1-aZ1). Le niveau accumulé est représentatif de l'énergie de la composante continue du signal reçu. Les moyens de comparaison 42 calculent le rapport entre l'énergie relative R et l'énergie fournie par les moyens d'accumulation 43 et comparent ce rapport avec une valeur de seuil S prédéterminée. Les moyens de comparaison 42 fournissent un signal P/A indicatif de la présence ou de l'absence de l'onde porteuse. La fonction arctg précitée peut être avantageusement obtenue selon deux techniques - la première technique consiste à exploiter un développement limité de la fonction arctg sur un faible domaine angulaire et à exploiter les propriétés de symétrie de cette fonction - la seconde technique consiste à utiliser un algorithme appelé CORDIC (COordinate Rotation Dlgital Computer) qui permet de déterminer un angle de rotation par itérations à partir de coordonnées cartésiennes, sans faire appel à des multiplications. Ces deux techniques permettent d'obtenir des précisions de l'ordre de 16 bits en utilisant peu de place mémoire ou avec peu d'itérations, en comparaison avec une implantation directe en mémoire de la fonction arctg. Le rapport défini précédemment est presque constant, quelque soit le niveau du signal reçu (en présence de porteuse). En conséquence, le système de détection de l'invention est insensible au niveau de réception. De plus, la valeur de seuil S est fonction de l'amplitude de la porteuse et de celle du signal d'horloge ayant servi, au niveau de l'émetteur, à échantillonner le signal transmis. Cette valeur de seuil est indépendante du rapport Eb/No. Ainsi, I'invention propose de détecter la présence (ou l'absence) d'une onde porteuse en calculant le coefficient de Fourier (en phase et module) de la composante spectrale à la fréquence rythme, puis de prendre une décision sur la valeur du module normalisée. Cette normalisation s'opère par rapport à l'énergie détectée de la composante continue. Les figures 4A et 4B montrent des spectres de signal reçu, respectivement en présence et en l'absence d'onde porteuse. Sur la figure 4A, la raie 44 correspond à la somme de la composante continue de bruit et de la porteuse. La raie 45 correspond à celle de la fréquence rythme. Sur la figure 4B, en l'absence de porteuse et donc de fréquence rythme, la raie 46 correspond à la composante continue de bruit. La figure 5 représente le spectre du module d'un signal de type MDP-4 élevé au carré en présence de bruit. Le rapport Eb/No vaut 2 dB et 200 symboles sont pris en compte. La FFT est calculée sur 4096 points. La raie d'horloge est référencée 50 et la composante continue est référencée 51. Une variation d'amplitude du niveau reçu affectera de la même manière les deux niveaux d'énergie correspondants et leur rapport est donc inchangé. Le système de l'invention est avantageusement associé à un estimateur de rythme de type Oerder et Meyr tel que décrit ci-dessus, dont il peut partager un certain nombre de moyens, en l'occurrence les moyens d'élévation au carré et les premiers et seconds moyens d'accumulation. Dans cette association, la récupération de rythme et la détection d'onde porteuse s'effectuent simultanément. En l'absence d'un tel estimateur de rythme, les moyens de calcul 41 peuvent calculer par exemple qui représente également une énergie indicative de la présence ou de l'absence d'un signal à la fréquence rythme dans le signal reçu. Ce calcul est plus simple que celui exprimant R en fonction de X, Y, A A sine et cose mais on perd cependant dans ce cas le gain apporté au niveau bruit A A de quantification par la relation précédemment définie (R = X.cose + Y.sinO-). L'invention présente notamment l'avantage d'être insensible aux dérives de fréquence de l'onde porteuse, I'essentiel étant qu'au moins quatre échantillons soient pris en compte par temps symbole. Par rapport au système de détection basé sur l'établissement d'un histogramme de phase du signal échantillonné, celui de l'invention est plus rapide car le traitement de détection s'effectue en parallèle du traitement d'estimation de rythme, et non pas en série (détection rythme puis détection présence porteuse). De plus, la détection de porteuse proposée nécessite une accumulation d'un nombre plus faible d'échantillons. L'invention s'applique notamment au mode de transmission AMRT pour la détection de la présence d'un paquet de données. La fiabilité de la détection est d'autant plus importante que l'intervalle de temps d'analyse est long. L'invention s'applique également aux transmissions continues ou en mode SCPC et, dans ce cas, une détection d'onde porteuse peut être confirmée par une seconde détection, afin d'augmenter la fiabilité (surtout si Eb/No est proche de 0 dB). L'invention se prête notamment à une réalisation sous forme d'un ASIC ou d'un processeur de traitement de signal. A titre d'exemple, il est possible de réaliser un détecteur de présence ou d'absence d'onde porteuse et un dispositif de récupération de rythme par logiciel, à l'intérieur d'un DSP. On peut utiliser à titre indicatif le circuit TMS 320C50 de Texas Instruments (marque protégée) et traiter ainsi des signaux dont les débits peuvent s'étendre jusqu'à 200 kbits/s. REVENDICATIONS 1. Système de détection de la présence ou de l'absence d'une onde porteuse d'un signal numérique se présentant à une fréquence rythme donnée, ledit système comprenant des moyens d'échantillonnage à une fréquence au moins quadruple de ladite fréquence rythme fournissant à chaque temps symbole (Ts) quatre échantillons en bande de base dudit signal numérique, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens (32) d'élévation au carré du module de l'enveloppe complexe dudit signal numérique - des premiers moyens (33, 35) d'accumulation des différences entre les échantillons pairs de ladite enveloppe complexe élevée au carré - des seconds moyens (34, 36) d'accumulation des différences entre les échantillons impairs de ladite enveloppe complexe élevée au carré - des moyens (41) de calcul de l'énergie comprise dans lesdits moyens d'accumulation, fournissant une énergie (R) relative indicative de la présence ou de l'absence d'un signal à ladite fréquence rythme dans ledit signal reçu - des moyens (43) d'accumulation des échantillons de la composante continue de ladite enveloppe complexe élevée au carré, fournissant une énergie relative de la composante continue dudit signal reçu - des moyens de comparaison (42), avec une valeur de seuil (S) prédéterminée, du rapport entre ladite énergie (R) relative indicative de la présence ou de l'absence d'un signal à ladite fréquence rythme dans ledit signal reçu et de ladite énergie relative de ladite composante continue dudit signal reçu, lesdits moyens de comparaison (42) fournissant un signal (P/A) indicatif de la présence ou de l'absence de ladite onde porteuse. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'élévation au carré (32) et lesdits premiers (33, 35) et seconds (34, 36) moyens d'accumulation sont partagés avec un estimateur de type Oerder et Meyr. 3. Récepteur comprenant un système selon l'une des revendications 1 et 2.