Brevet FR2738095A1 — publié le 19970228

I Procédé et dispositif de démodulation d'un signal multiporteuse tenant compte d'une estimation de la réponse du canal de transmission et d'une estimation d'une distorsion blanche en fréquence. Le domaine de l'invention est celui de la réception de signaux multiporteuses. Plus précisément, l'invention concerne l'optimisation de la démodulation des symboles modulant de tels signaux. L'invention s'applique à tous les types de signaux mettant en oeuvre une pluralité de fréquences porteuses, c'est-à-dire aux systèmes mettant en oeuvre des signaux transmis selon la technique de multiplexage par répartition en fréquence (en anglais: Frequency Division Multiplex (FDM)), et par exemple le système COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (multiplexage de fréquences orthogonales codées)), mis en oeuvre notamment dans le cadre du projet européen Eurêka 147 "DAB" (Digital Audio Broadcasting (diffusion audionumérique)), et également pressenti pour la transmission de signaux de télévision. Dans de tels systèmes de transmission, les données source à transmettre sont organisées en symboles (constitués d'une ou plusieurs données source) modulant chacun, pendant un intervalle de temps prédéterminé, une fréquence porteuse choisie parmi une pluralité de porteuses. Le signal formé par l'ensemble des porteuses modulées est transmis vers un ou plusieurs récepteurs, qui reçoivent un signal émis pertubé par le canal de transmission. La démodulation consiste généralement, dans son principe, à estimer la réponse du canal de transmission pour chaque symbole, puis à diviser le signal reçu par cette estimation pour obtenir une estimation du symbole émis. On connaît de nombreuses techniques de démodulation, qui peut être différentielle ou cohérente. Une technique facilitant la démodulation cohérente à l'aide de symboles de référence connus des récepteurs et régulièrement insérés parmi les symboles utiles est par exemple décrite dans le brevet FR-94 07984 au nom des mêmes déposants. Le problème majeur de ces techniques connues est que l'estimation de la réponse du canal obtenue n'est pas toujours exacte ni précise, car elle peut être perturbée par une distorsion blanche en fréquence souvent -mais pas seulement- induite par le récepteur. En d'autres termes, en convenant de noter, dans un système multiporteuse, n l'indice temporel et k l'indice fréquentiel (n et k apparteant à Z), à l'émission, chaque porteuse k d'un symbole n est donc modulée par un symbole Cnk complexe. Si l'on note Hn,k la réponse complexe du canal de transmission, alors on reçoit: Yn,k =Hn,k À Cn,k On + bruit blanc (1) Le bruit blanc est un terme que l'on néglige par la suite, par souci de simplicité de l'exposé. On est un terme complexe, a priori variable en phase et amplitude qui ne dépend que de n, et décrit donc n'importe quelle distorsion "blanche" en fréquence qui entâche le signal reçu. Les On sont supposés peu corrélés de symbole en symbole. Typiquement mais non exclusivement, On est le bruit de phase du tuner. Le recouvrement par le récepteur de l'information Cn,k transmise implique de savoir isoler le terme Cn,k à partir de l'équation (1), par division du Yn,k reçu par une valeur estimée de Hn,k.On. Une façon souvent utilisée pour faciliter la démodulation cohérente du signal reçu consiste à insérer à l'émission dans la trame des "pilotes" (ou symboles de référence), c'est-à-dire à émettre pour certaines valeurs de k et de n - prédéterminées à l'avance et connues du récepteur - des valeurs Cnk particulières a priori connues du récepteur. On les note par la suite Pn,k, la notation Cn,k étant réservée aux vecteurs a priori inconnus du récepteur, c'est-à-dire porteurs d'information. Bien sûr, pour des raisons de maximalisation du débit utile transmis, le nombre de vecteurs Cn,k sacrifiés en Pn,k doit être aussi faible que possible. On peut convenir de noter p2 le sous ensemble de Z x Z des couples (n,k) tels que la porteuse indicée k du symbole n porte un pilote Pn,k. Puisque Pn,k est par hypothèse connu du récepteur, celui-ci peut calculer la division Yn,k/Pn,k et obtenir ainsi une estimation du produit Hn,k.On notée Dn,k (D comme distorsion) dans la suite - par tous les couples (n, k) de p2. Les valeurs Dlnoko pour toutes les valeurs no et k0 possibles dans Z sont ensuite calculées par le récepteur par interpolation et/ou extrapolation des valeurs Dn,k, avec (n,k) appartenant à p2. L'état de l'art consiste à définir la fonction f(n0,ko) de calcul de Dào ko, à partir des Dn,k, (n,k) appartenant à p2. Un problème majeur, détecté par les inventeurs mais non expressément connu de l'homme du métier, vient du fait que le Do.ko ainsi estimé ne permet pas de distinguer chacun des deux termes du produit: Doko = HIoko.0noko, o H},oko désigne ce qu'aurait été le résultat de f(n0,ko) si tous les Dn,k (=Hn,k.0n) servant de base au calcul vérifiaient 0n = 1, c'est-à-dire en l'absence de toute distorsion blanche en fréquences. Une méthode pour se débarasser du terme,o.ko pourrait consister à filtrer fortement temporellement (c'est-à-dire suivant l'indice n), D,.k o (n,k) appartient à p2 à l'occasion du calcul de f(no,ko). Dans ces conditions, on a bien noko. Malheureusement, et inévitablement, ce filtrage temporel affecte aussi le terme Ho ko qui cesse dès lors d'être une estimation acceptable de la réponse fréquentielle complexe du canal (à l'instant no et pour la porteuse ko), si celui-ci n'est pas suffisamment stationnaire. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients. Ainsi, un objectif de la présente invention est de fournir un procédé de démodulation d'un signal multiporteuse, et un dispositif correspondant, permettant d'optimiser la démodulation des symboles formant le signal reçu. Plus précisément, l'invention a pour objectif de fournir un tel procédé, tenant compte des distorsions induites par les récepteurs. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel procédé de démodulation, dans lequel l'estimation de la réponse du canal de transmission est optimisée, quelques soient les distorsions induites par les récepteurs. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention par un procédé de démodulation d'un signal multiporteuse formé d'une succession temporelle de symboles modulant une pluralité de fréquences porteuses, pendant un intervalle de temps donné, procédé comprenant les étapes suivantes: - détermination, pour chacun desdits symboles et chacune desdites porteuses, d'une première information H}oko représentative d'une estimation de la réponse du canal de transmission, no représentant l'indice de l'instant d'émission et ko représentant l'indice de la fréquence porteuse; - détermination, pour chacun desdits intervalles de temps, d'une seconde information o représentative d'une estimation de la distorsion blanche en fréquence; et - division de chaque symbole à démoduler Yo,ko par ladite première information Ho.k et par ladite seconde information, pour délivrer un symbole estimé C,0.kO. Ainsi, selon l'invention, on détermine deux valeurs, en absolu, représentant précisément respectivement la réponse du canal de transmission et les distorsions blanches en fréquences, puis on détermine par division une estimation du symbole reçu. Cette technique est tout à fait nouvelle pour l'homme du métier, dont l'objectif est, selon l'état de l'art de limiter, en relatif, l'effet des distorsions. De façon avantageuse, l'étape de détermination de ladite première information H,,.k comprend les étapes suivantes: - calcul d'une première donnée de démodulation Hfnok.-no,k, correspondant au produit d'un terme correspondant à l'estimation de la réponse du canal de transmission et d'un terme correspondant à l'estimation de la distorsion blanche en fréquence; - suppression dudit terme correspondant à l'estimation de la distorsion blanche en fréquence, de façon à produire ladite première information Hn0,ko' La première étape est connue en soi. Le traitement de suppression suivant est en revanche spécifique à l'invention. Il peut avantageusement comprendre les étapes suivantes: - insertion parmi les porteuses émises de pilotes Pn,k connus des récepteurs, répartis en quinconce à des instants et sur des fréquences porteuses prédéterminés, de façon qu'au moins certaines desdites fréquences porteuses portent régulièrement des éléments de référence, à des instants différents pour des fréquences porteuses voisines; - la division Yn.k donne Dnk; Pn.k éventuellement, filtrage d'interpolation temporelle, pour chacune desdites fréquences porteuses portant des éléments de référence, de façon à associer à chaque porteuse placée entre deux éléments de référence sur ladite fréquence porteuse une donnée intermédiaire Dok; - filtrage d'interpolation fréquentielle, pour chacun desdits intervalles de temps, desdites données intermédiaires D.ok, de façon à produire ladite première information Ho.k . Il est à noter que c'est la répartition particulière des symboles de référence, en quinconce, et non orthogonale, qui permet de supprimer de façon efficace le terme dû à la distorsion, en assurant une bonne décorrélation, comme on le verra par la suite. Avantageusement, ladite étape de filtrage d'interpolation fréquentielle met en oeuvre un filtre à réponse impulsionnelle finie de longueur N sensiblement égale à la période de répétition des éléments de référence sur une fréquence porteuse donnée. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, ladite seconde information oest obtenue à partir de la division 6.+i.kde la donnée Dno+ ik par ladite première information Hn,k (i entier petit éventuellement nul). En d'autres termes, après avoir supprimé le terme y, on le recalcule, par comparaison avec l'information de base. De façon avantageuse, afin de conserver l'hypothèse de stationnarité du canal, i vaut -1, 0 ou 1. Préférentiellement, ladite seconde information C.. est une moyenne pondérée d'au moins deux desdites divisions 6.0+i.k. Alors, la seconde information na vaut: k o (k ' (n +i k k ak k avec: ' k.- = L'invention concerne également un dispositif de démodulation d'un signal multiporteuse formé de symboles modulant une pluralité de fréquences porteuses, pendant un intervalle de temps donné, comprenant: - des premiers moyens de calcul, pour chacun desdits symboles et chacune desdites porteuses, d'une première information H.k représentative d'une estimation de la réponse du canal de transmission, no représentant l'instant d'émission et k0 représentant ladite fréquence porteuse; - des seconds moyens de calcul, pour chacun desdits intervalles de temps, d'une seconde information représentative d'une estimation de la distorsion blanche en fréquence; et - des moyens de division de chaque symbole à démoduler Yo,.ko par ladite première information H. k et par ladite seconde information, pour délivrer un symbole estimé CfO.kO. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 illustre de façon générale le procédé de démodulation de l'invention; - les figures 2 et 3 illustrent deux structures avantageuses de répartition des symboles de référence dans l'espace temps-fréquence; - la figure 4 est un synoptique simplifié d'un dispositif de démodulation selon l'invention. Comme cela a déjà été indiqué, et comme cela est illustré en figure 1, le principe général de l'invention consiste à déterminer (11) une estimation absolue H."ko de la réponse du canal de transmission, puis (12) une estimation absolue o de la distorsion induite par le récepteur, et enfin à diviser (13) le symbole reçu par ces deux estimations. Il est à noter que cette approche est nouvelle, et non triviale. En effet, les deux estimations sont généralement connues sous la forme d'un produit unique indissociable, et la technique antérieure vise, au mieux, à limiter l'effet de la distorsion sur ce produit. Selon l'invention, en revanche, on propose de déterminer indépendamment les deux valeurs, afin d'optimiser le résultat de la démodulation. La méthode préférentielle permettant d'obtenir ces deux valeurs est également non évidente pour l'homme du métier. Elle consiste dans un premier temps à supprimer l'effet de la distorsion 0 sur l'estimation D du produit, par la mise en oeuvre d'une répartition particulière de symboles de référence (structure dite par la suite structure en quinconce, par opposition à la structure classique orthogonale) et d'un filtrage adéquat, puis à recalculer une estimation absolue de la distorsion. Ainsi, en référence à la figure 1, on reçoit (14) le signal transmis, sous la forme de complexes Yn0,ko. On analyse (111) les porteuses reçues correspondant aux porteuses de référence, afin de déterminer les estimations Dn,k correspondantes. On effectue ensuite optionnellement un filtrage temporel 112 permettant d'obtenir les estimations Dn.k comprises entre deux Dn,k consécutifs, sur une porteuse k donnée. Enfin, on effectue un filtrage fréquentiel 113 sur ces estimations DIo.k. Comme on le verra plus précisément par la suite, du fait de la répartition en quinconce des symboles de référence, les estimations Dn0k sont basées sur des symboles de référence transmis à des instants de transmission différents, et donc fortement décorélés du point de vue des distorsions blanches en fréquence. En conséquence, le filtrage 113 permet de supprimer, ou au moins de fortement atténuer, l'effet de cette distorsion, et délivre donc des estimations précises de la réponse du canal de transmission Ho0 ko. A partir de cette estimation Hnok, on recalcule (12) selon l'invention une estimation de la distorsion O. Pour cela, on divise (121) la valeur Dn0+ i,k par H.0 k. Avantageusement, le résultat de cette division est moyenné et pondéré (122), afin de réduire le bruit. Enfin, on peut estimer (13) précisément le complexe reçu, en divisant Y. o.ko par le produit H. *.o n0.k0 n On décrit maintenant de façon plus précise les opérations à effectuer. On choisit la loi f(no,ko) déjà mentionnée de façon que deux valeurs estimées Dn.,ko = Hn0,.k0 '.n0.k0 et Dn.o.k, = Hn0.k, 'Ono.k, correspondant au même indice temporel no et à deux indices fréquentiels k0 et kl proches (typiquement 1 du canal. L'hypothèse gênante de stationnarité du canal, nécessaire en l'absence de l'invention, et qui suppose une corrélation temporelle forte entre Hn, k et Hn+1,k pour tout n et tout k de Z est remplacée par une hypothèse de corrélation fréquentielle entre Hn,k et Hn.k+l, qui est d'autant mieux vérifiée que l'étalement temporel de la réponse impulsionnelle du canal est faible (échos courts devant la durée symbole). Puisque l'on obtient une estimation de Ho.o, pour tout n0 et lo de Z, l'estimation Hn.k peut être comparée à D..k=H.. (i sera avantageusement choisi petit, typiquement i = 0 ou _+ 1, pour que l'hypothèse de stationnarité du canal durant lil + 1 symboles soit vraie, c'est-à-dire que Hnk = Hno+i.k pour toutes les valeurs de k telles que le couple (no+i, k) corresponde à l'émission de pilotes. Le quotient: &5no0.i.k -= (2) In o,k fournit une lère estimation de 0i, notée o+i. Optionnellement, une moyenne pondérée de ces 6no+ik selon l'indice k donne alors une seconde estimation moins bruitée de o+, notée +. Cette moyenne s'écrit par exemple: Eak6n +ik (3) k avec par exemple: ak =|HnOk le couple (no+i,k) correspondant à l'émission d'un pilote. A la réception du symbole no+i, les valeurs reçues: Y.n+i.ko = Hn +ikO 'no +i'Cno+i,ko +bruit permettent enfin d'estimer correctement Cno +i,ko, comrnme suit: cn +k Y.o,+i,k (4) Cno+i,ko ' Hno+i.ko '0}o+i Dans le choix de la structure d'insertion des pilotes (c'est-à-dire le choix des porteuses k et des symboles n sur lesquels on insère des pilotes), on évitera donc les structures orthogonales définies par: (n,k) E p2 ≤> n = constante (modulo N) et k = constante (modulo K) N et K sont des constantes entières choisies de façon cohérente avec le théorème d'échantillonnage de Shannon. Les pilotes sont dans cette structure orthogonale insérés dans un symbole sur N. et sur une porteuse sur K. N est choisi en fonction de la vitesse de variation du canal (typiquement N=4 ou 8) tandis que K vérifie: K orthogonale, comme illustrée en figures 2 et 3. Dans ces schémas, (n,k) E p2 ≤> n = cste(k) [modulo N] C'est-à-dire que l'indice n du symbole qui porte les pilotes dépend de k. La figure 2 illustre le cas o: cste = k modulo NK cste(k) = K La figure 3 illustre un cas légèrement différent, mais équivalent du point de vue de l'invention. Il est à noter que le nombre de pilotes n'est pas augmenté, par rapport à une structure orthogonale classique, et que N et K restent identiques par rapport à cette structure (N=8 et K=4 dans l'exemple décrit plus haut et la figure 2), voire inférieurs (N=8 et K=2 dans le cas de la figure 3). Revenons à l'exemple de la figure 2, par souci de simplicité dans la suite. il faut calculer par interpolation et/ou extrapolation DfOlkO et Dn3..k,. ^ 1 1 + - Par exemple: n0,k0o 2=.no-4.ko + 2.Dno+4.ko = 'Ioko0.oko 3 Dflok, =-D = -D - D,,,kl 8 - D 3,k, + 8 Dn+5.k, =H-Olk Pnok, Il importe de remarquer que c'est bien ici le choix de la structure non orthogonale qui permet d'affirmer que 40.k0et,o.k, issus de calculs basés repectivement sur des Dn,ko et des Dm.k tels que n et m soient différents (n=no0-4 ou no0+4 tandis que m = no-3 ou n0o+5) sont peu corrélés. On calcule pareillement tous les Dno.ko+pK o p appartient à Z. Puisque biokoet nok.o+pK restent décorrélés (au moins tant que 0 plus grande partie) le terme de distorsion 0. En d'autres termes, le filtre produit une estimation: Dn0.k = Hok '0o.ko telle que O..k0, Donc: Dn0,k = Hno,k Il est avantageux, mais non indispensable, d'adapter la longueur du filtre FIR d'interpolation fréquentielle à la valeur N. Par exemple, si le filtre est de longueur N, c'est-à-dire si D..k est interpolé à partir de N valeurs D.o.ko+pK, avec 0 Dans l'exemple de la figure 2, k5 = ko + 5K = k0 + 20. Le filtre FIR produit en particulier Dnok, qu'on pourra comparer à Dno+l, k5 (dans cette application préférentielle, on a choisi i=l). On a alors: no++l.k5 Hno0+Ik, *'.o0=o+1 16. +,,k, =.----- Dn.o k5 H}t.k sous l'hypothèse raisonnable que le canal H a peu varié entre les symboles no et no+l. Le même calcul: in0+I.k5 +qNP = n0+l,k5 +32q o q appartient à Z peut se répéter pour un nombre suffisant de valeurs de q, de façon à obtenir un nombre suffisant d'estimation no+, susceptibles d'alimenter un calcul de type sommation pondérée comme suit: = n o||Hn +I k+32q|| *dino+ks+32q q 111|H.ne+I,k5 +32q || q Alors, les c.o+, ko, pour tout ko émis, peuvent être estimés en réception sans le biais apporté par la distorsion 0no+l comme suit: n.0+1,ko C.o Co =.o+ lko=-A Yo k no,+l,kon0+l+. La figure 4 illustre de façon simplifiée un récepteur mettant en oeuvre l'invention. Le signal reçu 41 est tout d'abord transposé en fréquence basse, par un multiplieur 42 contrôlé par un oscillateur local 43 délivrant la fréquence de transposition f0. Puis le signal transposé est filtré par un filtre passe-bas ou passe-bande 44, et converti en un signal numérique par un échantillonneur 45. Ensuite, un module 46 de génération des composantes en phase et en quadrature délivre les voies 47i et 47Q. Dans le cas du COFDM, les voies I et Q sont soumises à une transformation mathématique F.F.T. 48, qui délivre les échantillons 49 Yno,kO- Les Y.n0.ko 49 sont démodulés (410) selon le procédé décrit précédemment, par division par Hno.ko 411 et 412 pour fournir les symboles estimés CO.kO 413, qui subissent ensuite classiquement un décodage canal 414, puis la suite du traitement jusqu'à la restitution du signal source. LesY n0.ko 49 alimentent un module 415 d'extraction des pilotes qui calcule les valeurs Dn,k qui subissent éventuellement un premier filtrage temporel 416 puis un second filtrage fréquentiel 417 pour fournir Hnk 411 au démodulateur 410. Par ailleurs, un module 418 d'estimation de 0 compareDn,0+i.k et Hn k Un module 419 de pondération calcule l'estimation,412 en tenant compte de |Hok |n Dans la pratique, les différents modules, ou au moins certains d'entre eux, peuvent bien sûr être regroupés dans un calculateur unique. Par ailleurs, il est clair que d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés. REVENDICATIONS 1. Procédé de démodulation d'un signal multiporteuse formé d'une succession temporelle de symboles modulant une pluralité de fréquences porteuses, pendant un intervalle de temps donné, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - détermination, pour chacun desdits symboles et chacune desdites porteuses, d'une première information H.onk représentative d'une estimation de la réponse du canal de transmission, no représentant l'indice de l'instant d'émission et k0 représentant l'indice de ladite fréquence porteuse; - détermination, pour chacun desdits intervalles de temps, d'une seconde information " représentative d'une estimation de la distorsion blanche en fréquence; et - division de chaque symbole à démoduler Yno.ko par ladite première information H.ok et par ladite seconde information, pour délivrer un symbole estimé Cn0,k0. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de détermination de ladite première information Hnok comprend les étapes suivantes: - calcul d'une première donnée de démodulation Hfok.-.nok, . correspondant au produit d'un terme correspondant à l'estimation de la réponse du canal de transmission et d'un terme correspondant à l'estimation de la distorsion blanche en fréquence; - suppression dudit terme correspondant à l'estimation de la distorsion blanche en fréquence, de façon à produire ladite première information H.k 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de suppression comprend les étapes suivantes: - insertion parmi les porteuses émises de porteuses de référence Pn,k connus des récepteurs, répartis en quinconce à des instants et sur des fréquences porteuses prédéterminés, de façon qu'au moins certaines desdites fréquences porteuses portent régulièrement des éléments de référence, à des instants différents pour des fréquences porteuses voisines - filtrage optionnel d'interpolation temporelle, pour chacune desdites fréquences porteuses portant des éléments de référence, de façon à associer à chaque porteuse placée entre deux éléments de référence sur ladite fréquence porteuse une donnée intermédiaire Do.k; filtrage d'interpolation fréquentielle, pour chacun desdits intervalles de temps, desdites données intermédiaires Dno, k, de façon à produire ladite première information H,,Ok . 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite étape de filtrage d'interpolation fréquentielle met en oeuvre un filtre à réponse impulsionnelle finie de longueur N sensiblement égale à la période de répétition des éléments de référence sur une fréquence porteuse donnée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite seconde information 0 est obtenue à partir de la division tSn,+i. k de la donnée intermédiaire D0. +i.kpar ladite première information H.ok. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que i vaut -1, 0 ou 1. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ladite seconde information est une moyenne pondérée d'au moins deux desdites divisions 6no+ik. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite seconde information " vaut: lak 6no+i.k += k a k avec: ak = Hnok 9. Dispositif de démodulation d'un signal multiporteuse formé de symboles modulant une pluralité de fréquences porteuses, pendant un intervalle de temps donné, caractérisé en ce qu'il comprend: - des premiers moyens de calcul, pour chacun desdits symboles et chacune desdites porteuses, d'une première information Hok représentative d'une estimation de la réponse du canal de transmission, no représentant l'instant d'émission et ko représentant ladite fréquence porteuse; - des seconds moyens de calcul, pour chacun desdits intervalles de temps, d'une seconde information "g représentative d'une estimation de la distorsion blanche en fréquence; - des moyens de division de chaque symbole à démoduler Yo- ko par ladite première information Hn. ko et par ladite seconde information,, pour délivrer un symbole estimé Cnol ko.