Brevet FR2753592A1 — publié le 19980320

PROCEDE DE DEMODULATION DE SIGNAUX NUMéRIQUES EMIS PAR SALVES ROBUSTE AUX BROUILLEURS A BANDE ETROITE L'invention concerne un procédé de démodulation de signaux numériques émis par salves robuste aux brouilleurs à bande étroite. L'invention se situe dans le domaine de la transmission de signaux numériques dans un réseau de type AMRT (Accès Multiples à Répartition dans le Temps) ou TDMA (Time Division Multiplexed Access). Un tel réseau permet de transmettre sur une même liaison des signaux de données provenant de différentes sources vers un centre d'exploitation commun. Ce centre reçoit les informations de chaque source sous forme de salves ou de paquets de signaux modulés. L'invention est plus particulièrement applicable à la transmission de signaux numériques dans les voies de retour des réseaux câblés où la gamme de fréquences est comprise entre 10MHz et 30MHz. Des organismes internationaux, tels que DAVIC ou IEEE, ont défini des normes sur la transmission des signaux numériques dans ces voies de retour. Les principales caractéristiques de ces normes sont les suivantes - transmission en mode AMRT de cellules ATM de 53 octets; - modulation QPSK des signaux; - codage correcteur d'erreurs appliqué à chaque cellule; en général, un code de type Reed-Solomon est prévu en fin de salve pour chaque cellule; - ajout d'un préambule en début de salve de chaque cellule, pour la synchronisation du centre d'exploitation. Le préambule permet au centre d'exploitation de se synchroniser par rapport aux différentes sources, chaque source ayant une fréquence de porteuse et un rythme symbole différent; la durée de ce préambule est la plus réduite possible afin de ne pas diminuer la capacité de transmission du réseau. Pour ce type de transmission par câbles et, plus généralement pour tout type de transmission de signaux numériques, se pose le problème de la présence de brouilleurs, dont le niveau varie en fonction de l'heure de la journée et de la période de l'année. Les brouilleurs peuvent être de deux types: - les brouilleurs occasionnés par la radiodiffusion en ondes courtes, dont le niveau s'élève à la tombée de la nuit; ces signaux sont généralement à bande étroite et leur gamme de fréquences s'étend de 5 MHz à 30 MHz. - les brouilleurs sporadiques, à large bande, du type parasites électriques. Les systèmes de transmission numérique fonctionnant en mode salves sont particulièrement sensibles aux brouilleurs à bande étroite dus à la radiodiffusion en ondes courtes. La présence du codage correcteur d'erreurs en fin de salve ne permet pas d'améliorer significativement les performances du système vis-à-vis de ce type de brouilleurs. Aussi, un but de l'invention est d'améliorer la robustesse du procédé de démodulation des signaux numériques émis par salves vis à vis des brouilleurs à bande étroite. Le principe de l'invention repose sur le fait que les perturbations occasionnées par les brouilleurs à bande étroite sont plus faciles à éliminer dans le domaine fréquentiel. En effet, le spectre de fréquences de la salve de données est assimilable à du bruit blanc, alors que les brouilleurs se distinguent par des raies spectrales de très forte amplitude. Selon l'invention, on prévoit par conséquent de traiter les brouilleurs dans le domaine fréquentiel. A cet effet, on effectue une transformation du signal numérique pour passer dans le domaine fréquentiel et on traite les échantillons du signal fréquentiel pour atténuer l'influence des brouilleurs sur le signal utile. Par ailleurs, le signal numérique étant constitué de salves de symboles numériques, on prévoit selon l'invention de rajouter avant transformation des symboles numériques supplémentaires en début et en fin de salve afin d'améliorer le traitement fréquentiel de ce signal. Ces symboles numériques supplémentaires sont ensuite supprimés après traitement fréquentiel. Cette étape de rajout permet de s'affranchir des problèmes de repliement de spectre lors du passage dans le domaine temporel après traitement des brouilleurs. Aussi, l'invention a pour objet un procédé de démodulation d'un signal numérique émis par salves, robuste aux brouilleurs à bande étroite, lesquelles salves sont composées de symboles numériques, comportant une étape de démodulation des salves du signal numérique, caractérisé en ce que, préalablement à cette étape, on effectue les étapes suivantes de traitement des brouilleurs: - on rajoute des symboles numériques supplémentaires en début et en fin de salve du signal numérique, - on effectue une transformation du signal numérique pour passer dans le domaine fréquentiel, laquelle transformation fournit des échantillons, - on traite lesdits échantillons pour atténuer l'influence des brouilleurs à bande étroite, - on effectue une transformation inverse des échantillons traités pour repasser dans le domaine temporel, et - on supprime lesdits symboles numériques supplémentaires rajoutés en début et en fin de salve. Pour passer dans le domaine fréquentiel, on effectue de préférence une transformée de Fourier discrète du signal numérique ou une transformée en cosinus discrète. Par ailleurs, le traitement des échantillons consiste en un écrêtage ou une mise à zéro des échantillons dont l'amplitude est supérieure à une valeur seuil prédéterminée. L'étape de démodulation peut être suivie d'une étape de correction pour corriger le signal démodulé à partir d'un code correcteur d'erreur associé, la correction n'étant opérée que si ledit code correcteur d'erreur est en mesure de supprimer la totalité des erreurs dans ledit signal démodulé. On prévoit également, pour les cas particuliers où l'écrêtage ou la mise à zéro des échantillons dans le domaine fréquentiel entraînerait une dégradation des performances du procédé, un procédé dans lequel le signal numérique est dédoublé pour subir deux traitements dont l'un comprend seulement l'étape de démodulation et l'étape de correction, tandis que l'autre comprend lesdites étapes de traitement des brouilleurs ainsi que l'étape de démodulation et l'étape de correction, de manière à obtenir des premier et second signaux numériques traités, dont le second a subi un traitement fréquentiel des brouilleurs et non le premier. Au cours d'une étape de validation, on sélectionne alors le premier signal numérique traité s'il a été corrigé par le code correcteur d'erreur qui lui est associé, sinon on sélectionne le second signal numérique traité. L'invention concerne également un dispositif de démodulation de signaux numériques émis par salves robuste aux brouilleurs à bande étroite mettant en oeuvre les étapes du procédé. D'autres aspects et avantages de l'invention apparaîtront dans la suite de la description en référence aux dessins annexés. - La figure 1 représente un schéma de principe du procédé de démodulation selon l'invention. - La figure 2 représente une variante du procédé selon 1' invention. L'ensemble des étapes du procédé décrit à la figure 1 est effectué dans un récepteur. Un signal analogique e(t) correspondant à une salve de symboles est reçu à l'entrée du récepteur. Le signal analogique e(t) comprend un signal utile modulé en QPSK (modulation par déplacement de phase) sur fréquence porteuse et des perturbations introduites par le canal de transmission dues au bruit et aux brouilleurs. Dans l'exemple de la modulation QPSK, un symbole est représentatif de deux éléments binaires d'un signal de base. Dans la suite de la description, on considère que la durée d'un symbole est égale à T. Ce signal analogique e(t) correspondant à une salve de symboles subit tout d'abord une étape de filtrage 1 afin de ne conserver que la bande de fréquences correspondant à la bande du signal émis. Le signal temporel e'(t) issu du filtre est ensuite échantillonné à une fréquence égale ou voisine de la fréquence symbole 1/T, puis converti en grandeur numérique lors d'une étape de conversion Analogique/Numérique 2. Cette étape délivre un signal numérique temporel e'(nT) composé de symboles numériques. Les étapes du procédé de démodulation selon l'invention sont ensuite appliquées au signal numérique e' (nT). Comme ce signal se présente sous la forme d'une salve comprenant un nombre limité de symboles numériques, on rajoute, lors d'une étape 3, tout d'abord des symboles numériques supplémentaires, par exemple des symboles correspondant à une suite d'échantillons nuls, en début et en fin de salve afin d'augmenter la résolution de la transformation de Fourier à suivre. On obtient un second signal numérique temporel X(nT) correspondant à un bloc de symboles numériques constitué des symboles numériques de la salve et des symboles numériques supplémentaires. Ce signal temporel X(nT) subit alors un traitement fréquentiel permettant de réduire les perturbations engendrés par les brouilleurs à bande étroite. Pour ce faire, on effectue tout d'abord au cours d'une étape de transformation 4, une transformée de Fourier sur le bloc de symboles numériques du signal X(nT). Pour appliquer un algorithme de transformée de Fourier rapide dit FFT, le nombre total de symboles numériques dans le bloc doit être une puissance de 2. La fenêtre temporelle qui délimite le bloc de symboles numériques sur lequel est effectuée la transformée de Fourier peut être déterminée à partir des préambules de la salve reçue en utilisant un corrélateur qui compare chaque préambule à un préambule connu mémorisé dans le récepteur. Elle peut également être fournie par le récepteur, par exemple le centre d'exploitation commun, qui affecte les intervalles de temps alloués à chaque usager pour la transmission. Les échantillons complexes X(k) issus de la transformée de Fourier des symboles numériques du signal X(nT), subissent ensuite au cours d'une étape de traitement 5, l'un ou l'autre des traitements suivants: - écrêtage des échantillons dont l'amplitude est supérieure à un seuil prédéterminé S0, c'est-à-dire si X(k) > SO alors Y(K) = SO * sgn[X(k)] si X(k) - mise à zéro des échantillons dont l'amplitude est supérieure au seuil prédéterminé S0, c'est-à-dire si X(k) > S0 alors Y(K) = 0 si X(k) Le seuil S0 peut être soit fixe, soit variable. Dans ce dernier cas, le seuil S0 dépend de préférence des propriétés statistiques du signal X(nT). Par exemple, le seuil S0 peut être ajusté en fonction de la puissance du signal X(nT). Les échantillons complexes Y(k), obtenus après traitement des brouilleurs, sont ensuite traités par des moyens de transformation inverse FFT 1 au cours d'une étape de transformation inverse 6, pour repasser dans le domaine temporel et le signal temporel Y(nT) résultant de cette étape est ensuite débarrassé des symboles numériques supplémentaires rajoutés en début de procédé lors d'une étape de suppression des symboles numériques 7. On obtient alors un signal numérique temporel S(nT). Après ces étapes de traitement des brouilleurs, on effectue une étape de démodulation 8 afin de récupérer les éléments binaires S' (nT) correspondant au signal de base du signal émis e(t). Avantageusement, l'ensemble des étapes du procédé de démodulation selon l'invention sont effectuées par un processeur de traitement de signaux numériques (DSP). Comme on l'a vu dans le préambule de la description, chaque salve est munie d'un code correcteur d'erreurs. Ce code correcteur permet de corriger un nombre limité d'erreurs dans la salve. De manière classique, on utilise un code de type Reed-Solomon. C'est pourquoi, on prévoit également une étape de correction 9 du signal démodulé S'(nT) pour corriger les erreurs dans le signal S'(nT) apparues lors la transmission. On obtient ainsi un signal S"(nT) numérique temporel corrigé et débarrassé des brouilleurs. Cependant, il arrive parfois que l'écrêtage ou la mise à zéro des échantillons X(k) dans le domaine fréquentiel entraîne une légère dégradation des performances du procédé, en particulier sur certains motifs de salves qui présentent des raies spectrales de forte amplitude. Dans ce cas, il peut alors être préférable de ne pas effectuer de traitement fréquentiel lorsque les salves sont peu perturbées par les brouilleurs. Une variante du procédé de l'invention, illustrée figure 2, a été conçue spécialement en réponse à ce problème : le signal e'(nT) est dédoublé et subit alors deux traitements différents. Dans le premier traitement, le signal e'(nT) subit l'ensemble des étapes décrit à la figure 1. Dans le second traitement, on emploie le temps consacré au traitement des brouilleurs pour effectuer directement les étapes de démodulation et de correction 8, 9 sur le signal e'(nT). En pratique, le temps de traitement des brouilleurs est au moins égal à la durée totale d'une salve et suffit donc dans tous les cas aux démodulation et correction de la totalité d'une salve. Le premier traitement durant plus longtemps que le second traitement, on désignera par traitement long le premier traitement et par opposition, le second traitement sera appelé traitement court. Si l'étape de correction 9 montre que la suite d'éléments binaires de la salve démodulée issue du traitement court est directement exploitable, alors cette salve est sélectionnée au cours d'une étape de validation 11 pour être utilisée en aval. Sinon est sélectionnée la suite d'éléments de la salve issue du traitement long. Ainsi, pour chaque salve, il y a dans le bloc de correction, d'abord un premier passage des éléments binaires de la salve issus du traitement court, puis un second passage des éléments binaires de la salve issus du traitement long. Le choix de la suite à sélectionner, entre la suite d'éléments binaires SC issus du traitement court et la suite d'éléments binaires SL issus du traitement long, est ensuite effectué à partir d'un signal de commande S issu du bloc de correction. Le signal S est composé de deux valeurs binaires B produites lors desdits premier et second passages dans le bloc de correction. Les valeurs binaires B indiquent s'il y a ou non dépassement de la capacité de correction du bloc de correction. B=0 indique que le bloc de correction a corrigé la suite d'éléments binaires de la salve démodulée et que celle-ci ne comporte plus d'erreur, ou que cette suite ne comportait pas d'erreur. B=l indique que la capacité de correction du bloc de correction est dépassée et que la suite d'éléments binaires de la salve démodulée est restituée sans traitement. La valeur du signal de commande S conditionne le choix de la suite d'éléments binaires à sélectionner: S = ox (X = O ou 1) : la suite d'éléments binaires SC issue du traitement court est sans erreur. Cette suite est donc sélectionnée et est de préférence stockée dans une mémoire lors d'une étape de mémorisation 10 pour assurer la synchronisation des éléments binaires délivrées à la fin du procédé. S = 10 : la suite d'éléments binaires SC issue du traitement court est erronée tandis que la suite SL issue du traitement long est sans erreur. La suite d'éléments binaires SL est donc sélectionnée. S = 11 : Les deux suites d'éléments binaires sont erronés; une demande de répétition 12 de la salve ou du message est envoyée à l'usager. Des simulations ont été effectuées pour des conditions de transmission identiques à celles spécifiées par les organismes de normalisation DAVIC et DVB. Les résultats sont donnés en terme de taux d'erreur paquets après correction de type Reed-Solomon. Dans cet exemple, un paquet comporte 53 octets de données utiles émis par l'usager. Le code correcteur d'erreur employé ajoute une redondance de 6 octets et permet de corriger au maximum 3 octets du paquet. Dans cet exemple, les étapes du procédé sont donc appliquées sur des salves du signal émis, chaque salve comprenant un préambule, un paquet de 53 octets de données utiles, 6 octets de redondance du code correcteur et un intervalle de garde. La taille minimale de la transformée de Fourier est dans ce cas de 512 points. Les résultats varient en fonction de la position de la fréquence ou des fréquences du brouilleur par rapport aux raies de la transformée de Fourier. En effet, lorsque le brouilleur se situe sur une raie de la transformée de Fourier, toute son énergie y est concentrée et l'amplitude des échantillons correspondants de la transformée de Fourier est alors très supérieure à celle des échantillons du signal utile. Le traitement fréquentiel des brouilleurs est alors très efficace. Par contre, lorsque la fréquence ou les fréquences du brouilleur se situent entre deux raies de la transformée de Fourier, l'énergie du brouilleur est répartie sur plusieurs échantillons et l'amplitude de ces échantillons n'est pas forcément supérieure au seuil SO. Dans ce cas, le traitement fréquentiel des brouilleurs est un peu moins performant. Les résultats de simulation sont donnés pour le cas le plus défavorable. Les résultats sont donnés également pour différentes valeurs de rapport C/I où C est la puissance moyenne du signal utile mesurée après filtrage de réception et I est la puissance moyenne du brouilleur après filtrage de réception. Dans les cas où des symboles numériques ont été rajoutés, c'est-à-dire où la taille de la transformée de Fourier est supérieure à 512 points, on constate qu'il y a une baisse très importante du taux d'erreurs paquet (TEP). Taille de la sans 512 1024 2048 FFT FFT points points points TEP 100/100 80/100 20/100 5/100 (pire cas) pour C/I = 0 dB; C/N = 10 dB; débit = 1,544 Mbit/s dans 1 MHz de bande. Dans le cas de la voie de retour du câble, le rapport C/N est de l'ordre de 25 dB. Le tableau suivant donne les performances obtenues pour différentes valeurs de rapport C/I avec un rapport C/N = 25 dB et une transformée de Fourier de 2048 points. C/I 0 dB -3 dB -6 dB TEP pour 3,5.10 -4 2,5.10-2 C/N = 25 dB Ces deux tableaux illustrent parfaitement l'efficacité du procédé selon l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé de démodulation d'un signal numérique émis par salves, robuste aux brouilleurs à bande étroite, lesquelles salves sont composées de symboles numériques, comportant une étape de démodulation des salves du signal numérique, caractérisé en ce que, préalablement à cette étape, on effectue les étapes suivantes de traitement des brouilleurs: - on rajoute des symboles numériques supplémentaires en début et en fin de salve du signal numérique, - on effectue une transformation du signal numérique pour passer dans le domaine fréquentiel, laquelle transformation fournit des échantillons, - on traite lesdits échantillons pour atténuer l'influence des brouilleurs à bande étroite, - on effectue une transformation inverse des échantillons traités pour repasser dans le domaine temporel, et - on supprime lesdits symboles numériques supplémentaires rajoutés en début et en fin de salve. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformation pour passer dans le domaine fréquentiel est une transformation de Fourier discrète. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transformation pour passer dans le domaine fréquentiel est une transformation en cosinus discrète. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, consécutivement à l'étape de démodulation, on effectue une étape de correction pour corriger le signal démodulé à partir d'un code correcteur d'erreur associé, la correction n'étant opérée que si ledit code correcteur d'erreur est en mesure de supprimer la totalité des erreurs dans ledit signal démodulé. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le traitement des échantillons consiste en un écrêtage ou une mise à zéro des échantillons dont l'amplitude est supérieure à une valeur seuil prédéterminée. 6 - Procédé selon la revendication 5, elle-même dépendante de la revendication 4, caractérisé en ce que le signal numérique est dédoublé pour subir deux traitements dont l'un comprend seulement l'étape de démodulation et l'étape de correction, tandis que l'autre comprend lesdites étapes de traitement des brouilleurs ainsi que l'étape de démodulation et l'étape de correction, de manière à obtenir des premier et second signaux numériques traités dont le second a subi un traitement fréquentiel des brouilleurs et non le premier. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de validation de l'un desdits premier et second signaux numériques traités, dans laquelle on sélectionne le premier signal numérique traité s'il a été corrigé par le code correcteur d'erreur qui lui est associé, sinon on sélectionne le second signal numérique traité. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de demande de répétition de la dernière salve du signal émis si le second signal numérique traité n'a pas été corrigé par le code correcteur d'erreur qui lui est associe. 9 - Dispositif de démodulation d'un signal numérique émis par salves, robuste aux brouilleurs à bande étroite, mettant en oeuvre les étapes du procédé selon les revendications 1 à 8.