Brevet FR2770355A1 — publié le 19990430

RECUPERATION DU RYTHME AVEC UN MINIMUM DE GIGUE La présente invention concerne des systèmes de communication de données et plus particulièrement un système et une méthode pour la synchronisation de symboles et la récupération du rythme par un récepteur de données dans de tels systèmes de communication. De façon conventionnelle, les systèmes de communication utilisent un émetteur à la source ou point d'envoi et un récepteur de données au lieu de destination ou point de réception. Pour conserver la synchronisation du signal de données entre la source et la destination, il est d'usage courant de transmettre, en même temps que le signal de données, une référence temporelle générée par l'émetteur. Le récepteur de données utilise ce signal de référence pour synchroniser son horloge locale (horloge interne du récepteur). La synchronisation de symboles ou la récupération du rythme est un élément important des systèmes de communication de données. Normalement, l'horloge du récepteur est continuellement ajustée pour que la position d'échantillonnage soit en permanence optimisée pour se situer au point o le rapport signal sur bruit (SNR) de la détection de données passe par un maximum et o la fenêtre des données est le plus largement ouverte. Le réglage d'horloge doit également avoir lieu assez fréquemment pour que l'horloge locale puisse toujours enregistrer tout changement intervenant dans l'horloge de référence. D'un autre côté, la modification constante du réglage de l'horloge locale peut rendre très -2 instable la transmission locale de données et causer des mouvements de gigue, à savoir que la vitesse de transmission oscille autour de sa valeur nominale. La gigue de rythme de l'horloge de réception exerce une influence importante sur les performances du système. Une procédure communément utilisée dans les systèmes de récupération du rythme est l'estimation, par une méthode de corrélation, du pré-curseur qui représente l'interférence du prochain bit futur avec le bit de réception actuel. L'emplacement d'échantillonnage est réglé sur le point o le rapport entre le relevé principal (l'amplitude de signal désirée) et le pré- curseur est égal à une certaine valeur. La corrélation est souvent calculée en prenant la moyenne d'un certain nombre d'échantillonnages à l'intérieur d'une fenêtre temporelle. Du fait que l'horloge doit être réglée suffisamment rapidement pour suivre les variations de rythme, la fenêtre de calcul de la moyenne pour l'estimation de la corrélation ne doit pas être trop large, sinon la valeur estimée du pré-curseur ne sera pas exacte. La stabilisation de la gigue est limitée par la longueur de la fenêtre de calcul de la moyenne qui elle-même dépend du décalage de fréquence entre la fréquence de l'horloge de référence et celle de l'horloge locale. Dans la présente invention, le point de synchronisation est estimé avec précision si bien que la gigue est stabilisée. Un algorithme simple à une passe de moyenne quadratique minimale (LMS) est utilisé pour l'estimation du pré-curseur. Cette estimation sert ensuite à établir une zone neutralisée autour du point de synchronisation -3- souhaité. Le rythme n'est recalé que si le signal se trouve à l'extérieur de la zone neutralisée. Ainsi, seul du bruit assez important pour faire sortir l'emplacement d'échantillonnage à l'extérieur de la zone neutralisée peut causer des mouvements de gigue. Il en résulte une réduction de la gigue et aucun mouvement de gigue n'a pu être observé au cours des simulations du système. De nombreuses méthodes de récupération du rythme ont été utilisées auparavant dans les systèmes de communication de données. La plus commune est de procéder d'abord à une estimation du pré-curseur a1 puis de régler le point de synchronisation là o la valeur a- se trouve à un certain niveau en-dessous du relevé principal a0. Si le pré- curseur est trop petit, l'horloge locale doit ralentir. Sinon, elle doit accélérer. Pour rester en phase avec la fréquence de l'horloge de référence, l'horloge locale doit être ajustée en permanence, soit pour la ralentir, soit pour l'accélérer. L'ajustement incessant rendra l'horloge locale très instable et une gigue importante pourra en résulter, notamment lorsque le rapport signal sur bruit est faible. Dans la plupart des applications, le pré- curseur est estimé en calculant la corrélation entre les deux bauds ou symboles adjacents. Pour suivre le décalage de fréquence entre l'horloge locale et l'horloge de référence, le réglage du rythme doit être effectué souvent, si bien qu'un nombre insuffisant de bauds risquent d'être utilisés pour établir la moyenne dans le calcul de corrélation. Dans de nombreux cas, seulement 10 à 100 bauds seront disponibles pour le calcul de la moyenne. Il en -4- résulte que le pré- curseur a tendance à être très peu précis, notamment dans un environnement o le bruit est important. Ceci rendra l'horloge ajustée très instable et causera donc un fort mouvement de gigue dans la transmission locale de données. Il va de soi qu'un plus grand nombre de données à l'entrée donnera une estimation plus précise du pré-curseur. De plus, l'estimation du pré- curseur doit être produite suffisamment souvent pour suivre l'horloge de référence. Un manière de parvenir à la fois à une meilleure précision et à une plus grande fréquence des estimations du pré-curseur, est de modifier de manière récursive l'estimation du pré- curseur avec chaque entrée d'échantillonnage en utilisant l'information de toutes les données précédentes. Le problème d'un tel algorithme adaptatif est que le bit futur n'est pas encore disponible. Dans la présente invention, le pré-curseur est estimé par un algorithme simple. Une méthode de zone neutralisée est utilisée en combinaison avec une estimation précise du pré-curseur pour procurer au système un mouvement de gigue pratiquement inexistant. Ainsi, selon une première caractéristique de la présente invention, il est prévu dans un système de transmission de données comportant un émetteur doté d'un moyen pour transmettre un signal de rythme de référence avec un signal de données et un récepteur de données ayant une horloge locale, une méthode de stabilisation de l'horloge locale par rapport au signal de rythme de référence. La méthode -5- consiste en une étape (a) au cours de laquelle est faite de manière adaptative une estimation d'un point de synchronisation du pré-curseur du signal de référence au temps t-T en utilisant un algorithme de moyenne quadratique minimale à une passe o t représente le temps actuel et T est égal à un intervalle d'un baud, une étape (b) au cours de laquelle est établie une zone neutralisée couvrant des points de synchronisation qui sont fonction de la valeur du pré- curseur, et une étape (c) au cours de laquelle l'horloge locale est réglée uniquement quand le point de synchronisation tombe à l'extérieur de la zone neutralisée. Selon une deuxième caractéristique de la présente invention, il est prévu dans un récepteur de données ayant une horloge de synchronisation locale, un système pour stabiliser l'horloge locale en utilisant un signal de rythme de référence extrait à partir de bits de données transmis par un émetteur distant, le système consistant en: un moyen pour estimer un pré-curseur au temps t-T o t est égal au temps actuel et T est égal à un intervalle d'l baud; un moyen pour générer une zone de synchronisation neutralisée recouvrant des points de synchronisation en rapport avec la valeur du pré-curseur et un moyen associé à l'horloge locale pour en régler le rythme quand un instant d'échantillonnage se déplace à l'extérieur de la zone neutralisée. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en faisant référence aux dessins joints dans lesquels: la figure 1 illustre la zone de synchronisation neutralisée; - 6 - la figure 2 est un schéma fonctionnel qui illustre la mise en oeuvre de l'estimation du pré- curseur; et la figure 3 est un organigramme montrant le processus de récupération du rythme. La présente invention propose de reporter le processus d'ajustement du pré-curseur susmentionné à un baud plus tard, c'est-à-dire que l'estimation du pré-curseur est ajustée au temps t-T au lieu du temps t, o t est le temps actuel et T est l'intervalle d'un baud. L'algorithme d'ajustement utilisé est celui de la moyenne quadratique minimale à passe unique, à savoir: a-l = a-1 + p (e(t - T) - bta 1)sgn(bt) o bt représente les données reçues au temps t, l est la taille de l'incrément, et N e(t)= s(t) - akbt-k est la sortie d'erreur venant de l'égaliseur ordinaire ajustable à décision rétroactive au temps t, avec laquelle tout le brouillage provenant des données passées (postcurseur ISI) a été éliminé. Dans l'équation ci-dessus le terme S(t) est le signal reçu. L'estimation du pré-curseur ci-dessus prend en compte tous les échantillonnages précédents et est beaucoup plus précise qu'une estimation calculée en prenant la moyenne de seulement 10 à 100 bauds. -7- L'idée derrière le nouvel algorithme d'ajustement du rythme pour la réduction de la gigue est de créer une zone neutralisée dans laquelle l'instant d'échantillonnage de synchronisation ne change pas. De cette façon, seul du bruit suffisamment important pour déplacer l'instant de synchronisation hors de la zone neutralisée peut causer un mauvais mouvement d'ajustement. La figure 1 montre une zone de synchronisation neutralisée entre les frontières A et B. En prenant pour hypothèse que le point de synchronisation désiré se situe au point O, deux contraintes autour de la position O sont définies pour le point A et pour le point B sur la base des exigences du système. A chaque moment de réglage de synchronisation, les deux contraintes sont évaluées. Si le résultat se situe à l'intérieur de la zone neutralisée, aucun réglage de synchronisation n'est nécessaire ni effectué. Si le résultat tombe à l'extérieur de la zone neutralisée, un réglage de synchronisation est nécessaire. Si l'instant d'échantillonnage se révèle être à gauche du point A, alors la contrainte A n'est pas respectée et l'horloge de réception est légèrement ralentie pour que la position d'échantillonnage se déplace à l'intérieur de la zone neutralisée. Si l'échantillon se trouve à droite de la contrainte B, celle-ci n'est pas respectée et l'horloge de réception doit être accélérée pour déplacer la position d'échantillonnage à l'intérieur de la zone neutralisée. La définition des frontières de la zone neutralisée dépend de la conception du système et affecte la réponse impulsionnelle totale du canal. En général, si la zone neutralisée est large, la gigue -8 est plus stable (une plus grande amplitude de bruit est nécessaire pour déplacer la position d'échantillonnage à l'extérieur de la zone neutralisée). Par contre, le rapport signal sur bruit de détection sera réduit. La raison en est que, bien que la position qui délivre le rapport signal sur bruit de détection maximum se trouve presque systématiquement dans la zone neutralisée, le rapport signal sur bruit de détection est principalement déterminé par le plus petit des rapports signal sur bruit parmi toutes les positions d'échantillonnage possibles dans la zone neutralisée. Si l'horloge locale a un faible décalage de fréquence par rapport à l'horloge de référence, la position d'échantillonnage finira par se déplacer vers une des frontières A ou B, selon que l'horloge locale est plus rapide ou plus lente. Ainsi, la plupart du temps, le système fonctionnera autour des frontières (A ou B). Parmi toutes les positions d'échantillonnage à l'intérieur de la zone neutralisée, celles pour lesquelles il existe la plus forte probabilité que le rapport signal sur bruit de détection soit le plus faible se situent autour des frontières de la zone neutralisée. Si la zone neutralisée est large, la frontière de la zone neutralisée s'étend et le rapport signal sur bruit de détection sera réduit. La zone neutralisée adéquate est définie en fonction des contraintes du système et de la position d'échantillonnage désirée. Certains algorithmes d'égalisation à décision rétroactive (DFE) peuvent avoir leurs propres contraintes. La zone neutralisée doit en priorité respecter ces contraintes qui, par conséquent, la délimitent. Bien que les contraintes imposées par - 9 - l'algorithme DFE peuvent servir de contraintes pour la zone neutralisée, il a été constaté que dans la majorité des cas, la zone neutralisée est trop large avec ces contraintes. Dans ce contexte, il est possible d'utiliser les contraintes imposées par l'algorithme DFE comme frontières de la zone neutralisée et de limiter ainsi la zone neutralisée de synchronisation à un petit intervalle à l'intérieur de ces contraintes. Avec l'utilisation d'une zone neutralisée de synchronisation, aucun mouvement de gigue provoqué par du bruit n'a été constaté au cours des simulations du système et quand l'horloge locale présente un décalage de fréquence, l'algorithme de synchronisation peut toujours effectuer la correction d'horloge adéquate. La figure 2 est un schéma fonctionnel illustrant l'algorithme d'estimation du pré-curseur de la présente invention. On peut le décrire comme une extension d'un algorithme égaliseur à décision rétroactive (DFE) ordinaire. La fonction de décision de bit délivre l'estimation de données en cours bt qui est envoyée dans une mémoire de données de longueur N. Les coefficients a0 et aN sont actualisés par le signal d'erreur de sortie N DFE e(t)= s(t) - akbtk en utilisant l'algorithme -" normal LMS. Le pré-curseur est mis à jour avec le signal d'erreur temporisé e(t-T) en soustrayant albt. Une fois obtenu le pré-curseur, les contraintes normales pour la zone neutralisée seront, telles qu'illustrées sur la figure 1: - 10 - Contrainte A: a0 8a1 et qu'elle est accélérée si 6al > a0. La figure 3 est un organigramme montrant les étapes du processus de mise en oeuvre de l'algorithme de récupération du rythme de la présente invention. Bien qu'un seul mode de réalisation de l'invention a été décrit et illustré, il sera évident pour l'homme du métier que diverses modifications peuvent être apportées à la conception de base du modèle. Il faut savoir cependant que ces modifications seront considérées comme entrant dans l'étendue de l'invention telle qu'elle est définie par les revendications annexées. - 11 - Glossaire des termes utilisés Les définitions suivantes pourront aider à la compréhension de la description qui précède: ISI Brouillage intersymbole dans la transmission de données. C'est l'interférence d'autres bits de données sur le bit de réception actuel causée par l'effet du canal. Postcurseur Brouillage intersymbole causé par des bauds de données précédents dus à la réponse impulsionnelle du canal. Pré-curseur Brouillage intersymbole causé par des bauds de données futurs présents dans le canal mais pas encore reçus par le récepteur. DFE Egaliseur à décision rétroactive. C'est l'algorithme d'ajustement utilisé pour annuler 1'ISI dans la transmission des données. Algorithme LMS Algorithme de moyenne quadratique minimale. Une technique bien connue de filtre adaptatif. - 12 - REVENDICATIONS 1. Méthode pour stabiliser l'horloge d'un récepteur de données en rapport avec un signal de référence reçu comprenant les étapes suivantes: a) l'estimation adaptative de la position de synchronisation d'un pré-curseur dudit signal de référence, b) la détermination d'une zone neutralisée recouvrant des positions de synchronisation contrôlées par ladite estimation de pré-curseur, et c) l'ajustement de ladite horloge de récepteur seulement quand ladite position de synchronisation tombe à l'extérieur de ladite zone neutralisée. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite position de synchronisation du pré-curseur est estimée en utilisant un algorithme de moyenne quadratique minimale à une passe. 3. Méthode selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'estimation de synchronisation est calculée à t-T o t est le temps actuel et T est un intervalle d'un baud. 4. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite zone neutralisée est basée sur un algorithme d'égalisation à décision rétroactive. 5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que les frontières de ladite position de synchronisation tombent à l'intérieur de ladite zone neutralisée. - 13 - 6. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite position de synchronisation du pré-curseur est estimée de manière récursive sur la base de toutes les estimations de synchronisation précédentes. 7. Dans un système de transmission de données comportant un émetteur pour transmettre un signal de rythme de référence avec un signal de données et un récepteur de données ayant une horloge locale, est prévue une méthode de stabilisation de l'horloge locale par rapport au signal de référence comprenant les étapes suivantes: a) l'estimation adaptative de la position de synchronisation d'un pré-curseur dudit signal de référence au temps t-T en utilisant un algorithme de moyenne quadratique minimale (LMS) à une passe o t = le temps actuel, T = un intervalle d'un baud, b) la détermination d'une zone neutralisée recouvrant des positions de synchronisation contrôlées par ladite estimation de pré-curseur, et c) l'ajustement de l'horloge locale seulement quand ladite position de synchronisation tombe à l'extérieur de ladite zone neutralisée. 8. Système pour stabiliser une horloge de récepteur de données par rapport à un signal de synchronisation de référence reçu comprenant: des moyens dans ledit récepteur de données pour estimer de manière adaptative une position de synchronisation de pré-curseur, des moyens pour générer une zone de synchronisation neutralisée recouvrant des positions de synchronisation en fonction de ladite estimation de pré-curseur, et - 14 - des moyens associés avec ladite horloge de récepteur pour ajuster la vitesse de celle-ci seulement quand ladite position de synchronisation se déplace à l'extérieur de ladite zone neutralisée. 9. Système selon la revendication 8, destiné à être utilisé dans un système de transmission de données ayant un émetteur et un récepteur. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit signal de référence est fourni par ledit émetteur. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit moyen pour estimer de manière adaptative une position de pré- curseur de synchronisation inclut un moyen de réaliser un algorithme de moyenne quadratique minimale (LMS) à une passe. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit moyen pour estimer de manière adaptative une position de pré- curseur de synchronisation comprend un moyen de réaliser un algorithme d'égalisation à décision rétroactive. 13. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite zone neutralisée a des frontières des deux côtés de ladite position de synchronisation. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdites frontières de la zone neutralisée sont définies par un algorithme d'égalisation à décision rétroactive.