Brevet FR2751498A1 — publié le 19980123

Procédé et dispositif de démodulaffon pour une transmission â sauts de fréquence sur canal HF, en présence de brouillage L'invention se rapporte aux transmissions de données numériques sur canal HF, et plus particulièrement à un procédé de démodulation, et au dispositif correspondant, particulièrement adapté à une transmission à sauts de fréquence sur canal HF en présence de brouillage. La transmission de données numériques sur canal HF voit ses performances limitées du fait de l'encombrement de cette gamme de fréquences par de multiples émissions de niveaux variés, qui représentent une gêne considérable du fait du taux d'erreur important qu'elles génèrent sur une liaison utile. Cet inconvénient est encore plus aigu lorsque la transmission se fait à sauts de fréquence, "EVF" pour "évasion de fréquence", procédé selon lequel la fréquence porteuse varie rapidement, de façon pseudo-aléatoire, pour éviter l'interception des communications par un tiers non destinataire. En effet, dans une transmission de données sur une liaison à sauts de fréquence par exemple en modulation FSK (c'est-à-dire à décalage de fréquence), pour un symbole donné de valeur I = 0, 1, ..., M-1, une impulsion est émise dont la fréquence centrale est décalée d'une quantité connue fonction de la valeur du symbole I par rapport à la fréquence porteuse du palier de fréquence en cours. Le procédé classique utilisé pour démoduler un tel signal, c'est-à-dire estimer la valeur I du symbole émis, consiste à examiner les sorties de M filtres centrés sur chacune des M fréquences possibles autour de ce palier : l'information émise la plus vraisemblable correspond à la sortie de niveau le plus élevé à un instant dit "instant d'échantillonnage" estimé par un dispositif de synchronisation séparé, la synchronisation étant supposée acquise par affleures. Mais il s'avère que dans les conditions précédemment exposées, la dégradation des performances dues à la présence du brouillage est très importante et se traduit par une diminution sensible de la portée. L'invention a pour objet un procédé de démodulation qui estime et prend en compte le brouillage existant lors d'une transmission à sauts de fréquence sur un canal HF dans les étapes de décision du procédé de démodulation. Un tel procédé permet d'éviter les inconvénients mentionnés en garantissant de très bonnes performances même en présence de brouillage fort. Selon l'invention, un procédé de démodulation de signaux modulés par déplacement de fréquence, transmis sur une porteuse HF à sauts de fréquence, est caractérisé en ce que, à chaque période symbole la fréquence la plus probablement émise est sélectionnée parmi les fréquences possibles par analyse des rapports entre la puissance du signal reçu et le carré de la puissance moyenne de brouillage en mémoire pour chaque fréquence possible, la fréquence sélectionnée étant celle qui conduit au rapport le plus élevé, les puissances moyennes de brouillage mises en mémoire et actualisées tout au long de la réception pour chaque fréquence possible étant les puissances reçues sur les fréquences non sélectionnées à chaque période symbole. L'invention a également pour objet le dispositif destiné à la mise en oeuvre de ce procédé - L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées. - La figure 1 est un schéma de détail d'un sous-ensemble du dispositif de démodulation - La figure 2 est un schéma du dispositif de démodulation selon l'invention. Comme indiqué ci-dessus, une transmission à sauts de fréquence en modulation FSK utilise un ensemble prédéterminé de fréquences porteuses. La transmission s'effectue à partir d'une séquence pseudo-aléatoire de paliers à des fréquences porteuses choisies dans cet ensemble, par déplacements de fréquence autour de la fréquence porteuse fixée pour ce palier ; les M déplacements de fréquence possibles sont fonction des M symboles à transmettre et la fréquence est fixe pour la durée du symbole. Pratiquement les déplacements de fréquence sont appliqués au rythme symbole sur une porteuse à fréquence intermédiaire transposée ensuite, au rythme des paliers, sur la porteuse HF variant par sauts. En conséquence, à la réception, la chaine de réception ramène le signal HF en fréquence intermédiaire. Le signal utile pour chaque symbole est l'une des M fréquences égales à la fréquence intermédiaire augmentée ou diminuée du déplacement de fréquence correspondant à ce symbole. Soient k(O Le problème est, lors de la démodulation, de sélectionner convenablement la fréquence utile dans cet ensemble de fréquences possibles, même si le signal utile est de niveau faible par rapport au brouillage sur la même fréquence et par rapport aux signaux reçus sur les autres fréquences possibles. Le procédé de démodulation proposé est issu de l'analyse suivante qui permet de rechercher la décision optimale avec un signal utile faible et un brouillage puissant. Si le signal utile émis sur une fréquence k a une puissance P, et que le brouillage sur cette même fréquence a une puissance Jk, le calcul montre que la densité de probabilité p(Sk) de la puissance P du signal de sortie Sk du filtre de réception, peut être approximée par p(Sk) = (1/(P+Jk)) exp (- Sk/(P+Jk)) (1) De même, pour les fréquences i différentes de k, et qui ne contiennent donc pas de signal utile, la densité de probabilité p(Si) de leurs puissances de sortie est p(Si) = (1/Ji) exp (- Si/Ji) (O Le critère de décision optimal consiste à chercher la valeur de fréquence k qui maximise la probabilité conditionnelle pk que cette fréquence k ait été émise, compte tenu de l'ensemble des signaux reçus, si = {S0, S1, ... SM-1}: pk = Proba(S0, S1, ... SM-1//k) = p({Sj}//k) Les signaux reçus étant supposés indépendants, pk est égale au produit des probabilités conditionnelles que la fréquence k ait été émise, compte tenu de chacun des signaux re çus Sj, pour O # j # M-1 : pk = Prodult (Si/k)] j=0 à -1 Si la fréquence k est émise, pour toutes les fréquences i différentes de k, p(Si//k) = (1/Ji) exp(-Si/Ji) (3) La puissance observée en sortie du filtre correspondant, en absence de signal utile, est la référence de bruit en sortie de ce filtre pour cette fréquence i ç k. Par contre, pour la fréquence k p(Sk/jk) = (1/(Jk+P)) exp(-Sk/(Jk+P)) (4) Au lieu d'analyser directement pk en fonction des probabilités p(Sj//k), il est préférable d'analyser qk = log pk qk = Somme (log p(Sj//k)) j=0 à M-1 En effet qk est une fonction croissante de p(Sj//k). La fréquence k sur laquelle le signal utile a été le plus probablement émise est celle pour laquelle la probabilité pk est la plus grande, qui est également celle pour laquelle qk est la plus grande. qk = Somme log [(1/Ji) exp(-Si/Ji)] i#k + log[(1/(Jk+P)] exp(-Sk/(Jk+P))l Le calcul montre que ceci revient à trouver la valeur de k qui maximise la quantité R(k) = [P/(P+Jk)j x Sk/Jk - log[ (P+Jk)/Jk] (5) La puissance de signal étant supposée faible, P = , vis à vis de celle du brouillage, et de plus, inconnue, on adopte un critère simplifié, qui consiste simplement à maximiser R' (k) = E Sk/Jk2 (6) En d'autres termes, le filtre pour lequel le rapport entre la puissance de sortie courante et le carré de la puissance de sortie en l'absence de signal utile est le plus élevé, sélectionne la fréquence sur laquelle le signal utile a été émis. Pour cela il est nécessaire de garder en mémoire la puissance de sortie en l'absence de signal utile pour chacune des. fréquences possibles et d'actualiser ces valeurs tout au long du processus de démodulation. De plus la fiabilité de la décision ainsi obtenue peut être évaluée. En effet, si la quantité qk, pour la valeur optimale de k ainsi obtenue, est inférieure à une valeur donnée, la décision risque d'être entachée d'erreur, puisque qk est une fonction croissante du logarithme de la probabilité a posteriori que le signal ait été émis sur la fréquence k, compte tenu des signaux observés. Dans ce cas il faut "effacer" le symbole considéré. Le calcul montre qu'un critère d'effacement optimal peut être déterminé de la manière suivante La probabilité que le signal utile ait été émis sur la fréquence k compte tenu de l'ensemble {Si} des signaux reçus est p(k//iSi) = p(Sk//k)/Somme p(Si//k) i=O à M-l si les sorties sont équiprobables. Pour que la décision soit fiable il faut que cette probabilité soit suffisante, c'est-à-dire que p(k//!Sii) soit supérieure à un seuil p min. Dans le cas contraire, si p(k//iSli) La valeur de p min est fixée en fonction de l'utilisation. Pour des raisons pratiques, toutefois, afin d'éviter les calculs d'exponentielles qui conduisent à des difficultés de mise en oeuvre, le critère ci-dessus peut être simplifié en remarquant que, parmi les exponentielles figurant dans la somme du deuxième membre de l'inégalité (7), les seules qui airent une valeur notable sont celles qui correspondent à i=k et à i=k', où k' est la valeur de iÇk pour laquelle R(k') est le plus grand des R(i) (k' représente la "deuxième meilleure" sortie du filtre). Le critère d'effacement simplifié consiste alors à effacer le symbole si l'inégalité suivante est vérifiée Sk/Jk Cette analyse conduit au dispositif de démodulation suivant l'invention décrit ci-après et représenté par les schémas synoptiques des figures i et 2. La figure i représente un sous-ensemble 1 (i) qui est reproduit à M exemplaires, un pour chacune des M fréquences susceptibles d'être reçues (i = O, 1 M-i), après transposition en fréquence intermédiaire. Cet ensemble comporte en série - une entrée ll(i) de signal reçu après transposition en fréquence intermédiaire - un filtre passe-bande 12(i) centré sur la i-ème fréquence reliée à l'entrée 11(i) - un détecteur quadratique 13(i) relié à la sortie du filtre - un échantillonneur 14(i), commandé par une entrée de commande d'échantillonnage 15(1) et relié à la sortie du détecteur quadratique 13(i), prélève des échantillons en sortie du détecteur quadratique. Par ailleurs, le sous-ensemble 1(i) comporte également - un circuit 16(i) chargé d'actualiser la valeur estimée de la puissance de brouillage reçue, à des instants définis par une entrée de commande 17(1) de ce circuit ; ce circuit reçoit sur une première entrée les échantillons de Si en sortie du circuit 14(i) et sur une seconde entrée 161(i) la valeur de la puissance moyenne de brouillage Ji estimée précédemment sur la fréquence HF du palier à laquelle serait émis le symbole de valeur i (numéro du décalage en fréquence intermédiaire) compte tenu du palier de fréquence de la porteuse HF à cet instant courant ; ce circuit fournit sur une sortie 162 (i) une valeur réactualisée de Ji, puissance de brouillage à cette fréquence, et sur une autre sortie la puissance de brouillage estimée - un circuit de normalisation 18(i) effectuant la division des échantillons caractéristiques de Si en sortie de l'échantfflonneur 14(i) par la valeur estimée de la puissance de brouillage reçue Ji en sortie du circuit 16(i), et générant sur la sortie 19(1) du sous-ensemble le signal Si/ji. La figure 2 représente l'ensemble du dispositif de démodulatin. H comporte M sous-ensembles tels que décrits sur la figure 1, à savoir 1(0), 1(1), 1(2), ... i(M-i), i = O à M-l dont les entrées il (i) sont reliées à la sortie 11 d'une chaîne de réception de transmission à sauts de fréquence classique et non représentée : chacun comporte un filtre centré sur la fréquence i, i = O à M-l, qui est l'une des fréquences de modulation, après transposition en fréquence intermédiaire de la fréquence HF reçue variant par paliers. Les entrées de commande d'échantillonnage 15 (i) sont reliées à la sortie d'un dispositif de synchronisation symbole 2 ; les sorties 19 (i) sont reliées d'une part à un circuit de décision "primaire" 3 qui fournit sur sa sortie 31 l'amplitude de sortie la plus élevée, et sur sa sortie 32 son numéro k, d'autre part à un circuit de décision "secondaire" 4 qui fournit sur sa sortie 41 l'amplitude de la deuxième sortie de niveau le plus important (sortie de numéro k'). La sortie 32 est reliée à un circuit de décision symbole 9 qui a une entrée de validation et une sortie fournissant l'information symbole démodulée. La différence entre les signaux des sorties 31 et 41 est effectuée dans un soustracteur 5, et la sortie de ce soustracteur est reliée à l'entrée d'un comparateur à seuil 6 dont l'autre entrée reçoit une valeur de seuil Pmin et dont le signal de sortie est le signal de validation appliqué au circuit de décision symbole vaut 0 si le symbole est réputé bien démodulé, 1 dans le cas contraire (blocage du symbole). Les entrées de commande 17(i) des circuits d'actualisation des sous-ensembles 1(l) sont reliées aux M sorties d'un circuit de commande d'actualisation 7, synchronisé par le dispositif de synchronisation symbole 2 et qui fonctionne de la manière suivante : une entrée 71 indique si le symbole reçu a une valeur connue ; si c'est le cas l'entrée 72 reçoit le numéro connu du symbole (c'est-8-dire le numéro de la fréquence correspondante) ; si ce n'est pas le cas le circuit 7 prend en compte comme valeur pour le symbole reçu la nouvelle valeur qui lui est fournie sur une autre entrée 73 reliée à la sortie 32 du dispositif de décision primaire 3. Si k est la valeur fournie sur l'entrée 72 ou 73, suivant le cas, le circuit 7 commande une ré-actualisation des estimations des puissances moyennes de brouillage reçues en générant des impulsions de commande d'actualisation sur ses sorties 17(0) à 17(M-1) des dispositifs 1(0) à 1(M-1), à l'exception de la sortie 17(k), reliées aux entrées correspondantes des circuits d'actualisation 16(i), les puissances moyennes estimées représentant le brouillage seul, sauf pour celle sur laquelle se trouve l'information utile. Enfin, une mémoire 8 reçoit sur son entrée 81 le numéro de la fréquence du palier de la porteuse HF pour le symbole considéré et fournit sur ses M sorties 82 (i) (i=O, 1, M-i) les valeurs estimées des puissances moyennes de brouillage sur les fréquences possibles autour de ce palier, qui sont les valeurs d'entrée 161(i) des estimateurs 16(i), et reçoit en retour sur ses M entrées 83(1) les signaux de sortie 162(i) des dits estimateurs, après ré-actualisation, sauf pour l'estimateur de rang i=k, qui correspond au signal émis (s'il est connu) ou démodulé (s'il est inconnu). Ainsi la réactualisation de la puissance de brouillage estimée et donc la mise à jour de la mémoire 8 n'est autorisée que pour les sous-ensembles ne correspondant pas à l'information émise lorsque celle-ci est connue, ou à l'information estimée par le circuit de décision. La capacité de la mémoire 8 est donc M valeurs pour chacune des fréquences possibles de paliers de la porteuse HF. Dans les circuits d'actualisation 16 (i) des estimations de puissances de brouillage, l'estimation peut être obtenue par une moyenne glissante qui ne prend en compte la dernière mesure effectuée que pour remplacer une mesure ancienne mais tenant compte des mesures intermédiaires, ou par un intégrateur "à perte" ("leakage integrator" dans les écrits anglo-saxons) ou par tout autre moyen ou algorithme permettant de suivre ltévolution des puissances moyennes de brouillage sur les fréquences considérées. Le critère d'effacement, ou à l'inverse de validité des symboles démodulés issu du traitement décrit ci-dessus peut être exploité pour améliorer les performances d'un code détecteur et/ou correcteur d'erreurs et/ou d'effacements. Enfin l'invention n'est pas limitée au procédé et au dispositif correspondant, précisément décrits et représentés. En particulier les schémas synoptiques montrent des circuits individualisés mais les fonctions de ces circuits peuvent être effectuées par un microprocesseur de traitement de signal. REVENDICATIONS 1. Procédé de démodulation de signaux modulés par déplacement de fréquence, transmis sur une porteuse HF à sauts de fréquence, caractérisé en ce que, à chaque période symbole la fréquence la plus probablement émise est sélectionnée parmi les fréquences possibles par analyse des rapports entre la puissance du signal reçu et le carré de la puissance moyenne de brouillage en mémoire pour chaque fréquence possible, la fréquence sélectionnée étant celle qui conduit au rapport le plus élevé, les puissances moyennes de brouillage mises en mémoire et actualisées tout au long de la réception pour chaque fréquence possible étant les puissances reçues sur les fréquences non sélectionnées à chaque période symbole. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à chaque période symbole, le symbole correspondant à la fréquence sélectionnée n' est validé que si un critère de fiabilité de la décision est rempli. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le critère de fiabilité de la décision consiste à vérifier que le rapport entre la puissance du signal reçu et le carré de la puissance moyenne de brouillage pour la fréquence sélectionnée est supérieur au rapport entre la puissance du signal reçu et le carré de la puissance moyenne de brouillage pour la fréquence donnant le plus élevé des rapports parmi les autres fréquences possibles augmenté d'une constante ajustée en fonction des performances requises. 4. Dispositif de démodulation de signaux modulés en déplacement de fréquence à M déplacements possibles autour d'une fréquence intermédiaire, ces signaux modulés étant transmis après transposition sur une porteuse HF à sauts de fréquence, caractérisé en ce que pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3 il comporte - M sous-ensembles de démodulation élémentaires (1(i), i = O à M-i) comportant chacun en série un filtre passe bande (12(i)) centré sur l'une des fréquences possibles après transposition en fréquence intermédiaire, un détecteur quadratique (13(i)), un échantillonneur (14(i)), un circuit diviseur (18(1)) dont une entrée reçoit les échantillons de signal détecté et dont l'autre entrée reçoit une valeur estimée du carré de la puissance de brouillage sur la fréquence correspondante, et dont la sortie est la sortie du sous-ensemble, - et un circuit de décision (3, 4, 5, 6) relié aux M sorties des M sous-ensembles de démodulation élémentaires et dont une sortie indique la fréquence la plus probablement transmise. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de décision comporte des moyens pour évaluer la fiabilité de la décision prise sur la fréquence la plus probablement transmise et une sortie de validation associée, cette sortie commandant la transmission du symbole démodulé ou son effacement selon la fiabilité de la décision. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de décision comporte un premier circuit (3) qui sélectionne la sortie du sous-ensemble de démodulation ayant le plus fort niveau, et un second circuit (4) qui sélectionne la sortie du sous-ensemble de démodulation ayant le niveau immédiatement inférieur, et un circuit de comparaison à seuil (5, 6) relié aux sorties des deux circuits de décision pour décider de la validité de la décision. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que pour l'estimation de la puissance moyenne de brouillage sur chaque fréquence possible, chaque sous-ensemble de démodulation élémentaire comporte en outre un circuit d'actualisation de l'estimatIon de la puissance reçue et le dispositif comporte en outre une mémoire destinée à mémoriser pour chacun des M déplacements de fréquence susceptibles d'affecter chacune des fréquences possibles de la porteuse HF, une valeur estimée de la puissance de brouillage, ces valeurs estimées étant mises en mémoire tant que les fréquences correspondantes n'ont pas été trouvées, puis actualisées tout au long de la réception, le dispositif comportant en outre à cet effet un circuit de commande d'actualisation (7) ayant une entrée reliée à la sortie du circuit de décision fournissant la fréquence sélectionnée k, et M sorties ( 17 (i) ) reliées à des entrées de commande correspondantes des circuits d'actualisation (16(1)) actives à l'exception de la sortie (17(k)), chaque circuit d'actualisation comportant en outre deux entrées respectivement reliées à la sortie de l'échantillonneur correspondant et à la sortie de la mémoire (8) et une sortie fournissant la valeur actualisée reliée à une entrée de la mémoire (8). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'estimation des puissances moyennes de brouillage est obtenue dans le circuit d'actualisation par calcul d'une moyenne tenant compte de plusieurs mesures successives sur la même fréquence. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que tout ou partie des circuits sont réalisés par un microprocesseur de traitement de signal.