Brevet FR2743681A1 — publié le 19970718

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR SYNCHRONISER UNE STATION RECEPTRICE DE SIGNAUX La présente invention s'inscrit dans le domaine des réseaux de communication par paquets et elle concerne plus particulièrement la synchronisation des stations réceptrices afin qu'elles restituent correctement les paquets de signaux reçus. Dans un système de communication TDMA/FDMA à utilisa- teurs multiples, lorsque le nombre d'utilisateurs est plus grand que le nombre d'intervalles de fréquences et lorsque le trafic est tel que la longueur typique d'un message n'est que d'un paquet, il n'est pas possible pour la station centrale de suivre les déplacements de fréquence et de synchronisation de chaque utilisateur paquet par paquet. Il faut donc alors que ces déplace- ments de fréquence soient estimées indépendamment pour chaque paquet au moyen d'un processus de traitement de données. Dans les processus de traitement connus, les époques et la fréquence sont estimées séparément pour chaque pa- quet de signaux. Le signal est suréchantillonné (Ns > M échantillons par symbole) dans une fenêtre de L sym- boles. Ensuite, le paquet entier est modifié par un facteur M/Ns et le déplacement de fréquence est estimé sur le signal modifié résultant. Les inconvénients de ce processus connu sont les sui- vants: a) pour assurer une variance d'erreur d'estimation d'époque suffisamment petite, il faut que le facteur de suréchantillonnage Ns/M soit au moins 4, b) la charge de calcul pour l'estimation d'époque est de l'ordre de N2 log Ns, s c) le processus ne peut être appliqué que pour une mo- dulation FSK binaire ou quaternaire (M d) l'estimation de fréquence a un seuil (valeur du rap- port signal/bruit pour laquelle la variance de l'erreur d'estimation est voisine de sa valeur idéale) à appro- ximativement 10 dB de Eb/No en l'absence d'erreur d'époque. L'invention a pour but de pallier les inconvénients des procédés de synchronisation connus et à cet effet elle propose un nouveau procédé d'estimation d'époque et de fréquence en boucle ouverte pour signaux modulés M-FSK orthogonaux non-cohérents ainsi qu'une nouvelle struc- ture pour sous-système de synchronisation, capable de mettre ce procédé en oeuvre de manière efficace. Conformément à l'invention, au lieu de procéder à une estimation de minutage et de fréquence sur le signal suréchantillonné, les échantillons du signal sont d'abord modifiés par décimation avec époque différente pour chaque échantillon de manière à produire plusieurs versions du signal échantillonné. Ces différentes ver- sions du signal sont ensuite traitées en parallèle. L'information de minutage est déterminée en sélection- nant le signal qui présente la crête spectrale la plus grande tandis que l'information de déplacement de fré- quence est déterminée par une estimation de la position de la crête sur l'axe des fréquences. Une fois que les informations de minutage et de déplacement de fréquence ont été déterminées, le signal échantillonné préalable- ment emmagasiné en mémoire-tampon peut être traité, corrigé en fréquence et détecté par un détecteur basé sur une transformée de Fourier. Les principaux avantages de ce procédé sont les sui- vants. L'estimation des informations de minutage et de déplacement de fréquence peut être effectuée simultané- ment avec une charge de calcul qui dépend linéairement du nombre d'échantillons par symbole. De plus, les échantillons du signal sont traités en parallèle indé- pendemment l'un de l'autre de sorte que le procédé peut être mis en oeuvre dans une structure à degré d'inté- gration très élevé (VLSI), ce qui permet la réalisation de modems travaillant à vitesse très élevée et avec des taux de modulation élevés (M > 4). Enfin, le seuil de l'estimation de fréquence en l'absence d'erreur de mi- nutage est inférieur à 4 dB. Il en résulte que le pro- cédé suivant l'invention convient également pour des signaux codés qui sont supposés travailler avec des rapports signal/bruit faibles. L'invention est exposée dans ce qui suit à l'aide des dessins joints. La figure 1 est un diagramme montrant un spectre de fréquence typique du signal produit par l'invention pour servir de base au processus d'estimation. La figure 2 est un schéma par blocs d'un mode de réa- lisation d'une structure exemplaire mettant en oeuvre le procédé suivant l'invention. L'invention s'intéresse à la démodulation des signaux modulés par déplacement de fréquence (FSK) à phase continue. Un tel signal a des fréquences espacées de i/T, o T est la période de symbole. L'enveloppe com- plexe du signal reçu à un démodulateur, en cas de bruit gaussien blanc moyen, est donné par la relation y (t, E, Af) = x (t, e, Af) + z(t) o e est un décalage de synchronisation (entre 0 et 1), Af est un déplacement de fréquence et z(t) est un pro- cédé gaussien blanc complexe avec densité spectrale d'énergie No sur la largeur de bande du démodulateur. Dans un démodulateur numérique, le signal reçu est d'abord échantillonné à la cadence Ns/T, o Ns repré- sente le nombre d'échantillons par symbole, puis il est traité afin de restituer les informations qu'il porte. Si le minutage et la fréquence sont exacts (c'est-à- dire si e = Af = 0), il suffit d'échantillonner le signal avec Ns = M. Par contre, lorsque le minutage des symboles et les déplacements de fréquence ne sont pas nuls, le démodulateur doit procéder à une estimation de e et Af à partir du signal reçu. Dans le démodulateur, c'est au sous-système de synchro- nisation qu'incombe la tâche de procéder à l'estimation de e et Af à partir d'une observation de longueur finie du signal reçu dans un temps donné. Au lieu d'effectuer l'estimation précitée sur le signal reçu de manière classique, l'invention propose de modi- fier d'abord le signal reçu et d'effectuer ensuite l'estimation des paramètres E et Af sur le signal modi- fié. Plus particulièrement, le sous-système de synchronisa- tion suivant l'invention effectue une décimation du signal reçu y,. (e, Af) avec un facteur Ns > M, c'est-à- dire qu'un échantillon par symbole est prélevé dans le signal y, aux instants iNs+no, o 0 signal modifié y, (no). Si l'on suppose que lAfi signal modulé ne subit aucune distorsion et les échan- tillons de bruit résultants sont du bruit blanc. Si alors n = e Ns, le signal modifié yj(no) est une tonalité complexe pure. Dans le cas o no E Ns, la to- nalité complexe pure est contenue dans un bruit addi- tionnel, comme le montre le graphique de la figure 1. L'opération de décimation effectuée sur le signal TDMA reçu dans une fenêtre d'observation s'étendant sur L symboles situés au milieu du signal, produit Ns ver- sions du signal échantillonné. C'est sur ces Ns ver- sions du signal que le processus d'estimation des para- mètres est appliqué en parallèle. Comme mentionné plus haut, le processus d'estimation vise à estimer les va- leurs correctes du minutage e et du déplacement de fré- quence Af. Le processus d'estimation est décrit ci-après à l'aide de la figure 2 qui illustre un exemple de structure de synchronisation mettant le processus en oeuvre. Chaque signal y, (no) est traité dans une cellule FFT agencée pour établir le carré de la transformée de Fourier Y(F,o) de longueur rL, o r est le facteur d'interpola- tion FFT. Une cellule de calcul MAX détermine ensuite la valeur maximale du signal de sortie Y(F, no)2 et produit deux valeurs: M(no) = max IY(F, no) 12 F F(no) = arg max IY(F,no) 12 F Ces deux valeurs M(no) et F(no) servent à déterminer les valeurs estimées des paramètres e et Af. Un comparateur CP détermine la valeur f0 à laquelle correspond la valeur maximale de M(no). La valeur no est donnée par la relation no = arg max {max IY(F,no0)12} nO F La cellule MUX sélectionne la valeur F(no) parmi les valeurs F(no) disponibles, ce qui détermine la valeur estimée du déplacement de fréquence AF, donnée par AF - 1 F (no) Ns Les valeurs fio et F(no) déterminées sont placées dans une mémoire-tampon (non représentée). La valeur e estimée est déterminée par E = no/Ns Les signaux reçus yn(e,Af), retardés dans une ligne à retard par exemple, sont alors échantillonnés à la ca- dence M/T en sélectionnant M échantillons par symbole à l'époque d'échantillonnage no. Le signal échantillon- né est ensuite corrigé en fréquence par multiplication dans un multiplicateur X avec la tonalité complexe exp(j2vnF(fino)/M générée par un oscillateur à commande numérique NCO avant d'être acheminé vers un démodula- teur non cohérent (connu en soi). C'est grâce au procédé suivant l'invention dans lequel les échantillons du signal sont traités en parallèle indépendamment l'un de l'autre, que le sous-système de synchronisation peut être réalisé dans une structure en technologie à degré d'intégration très élevé (VLSI). Ceci permet la réalisation de modems travaillant à vi- tesse très élevée et avec des taux de modulation éle- vés, ce qui est très appréciable dans les réseaux de communications par satellites, notamment. Cet avantage s'ajoutant bien entendu aux avantages inhérents au traitement de données lui-même suivant l'invention, comme mentionné dans l'introduction de la description qui précède. REVENDICATIONS 1. Procédé de synchronisation d'une station réceptrice de signaux modulés par déplacement de fréquence compre- nant un échantillonnage du signal et un traitement de données pour déterminer l'époque du minutage et le dé- placement de fréquence du signal, caractérisé en ce que dans le signal échantillonné (y,), un échantillon est prélevé par symbole dans une fenêtre d'observation s'étendant sur un nombre prédéterminé (L) de symboles, les échantillons étant prélevés à des instants prédé- terminés iNs+no, o Ns est le nombre de symboles du signal reçu et no est l'époque d'échantillonnage, de manière à produire un nombre (Ns) de versions (y1(no)) du signal échantillonné, et en ce que le traitement de données pour déterminer l'époque du minutage et la fréquence est effectué sur les Ns versions yi(no) en parallèle. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de données précité comprend la sélection de l'échantillon qui présente la crête spec- trale la plus grande. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le traitement de données précité comprend la détermination de la position de la crête spectrale la plus grande dans la bande de fréquences. 4. Sous-système de synchronisation d'une station récep- trice de signaux modulés par déplacement de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour mettre en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des re- vendications précédentes. 5. Démodulateur de signaux modulés par déplacement de fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un sous- sytème de synchronisation mettant en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3. 6. Station réceptrice de signaux modulés par déplace- ment de fréquence, caractérisée en ce qu'elle comprend un sous-système de synchronisation mettant en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3.