Brevet FR2767002A1 — publié le 19990205

PROCEDE DE MODULATION NUMERIQUE, ET MODULATEUR METTANT EN EUVRE UN TEL PROCEDE La présente invention concerne les systèmes de radiocommunication numérique. Elle concerne plus particulièrement les méthodes de modulation mises en euvre dans de tels systèmes. La conception d'une modulation numérique vise habituellement à combiner les trois objectifs suivants: un débit numérique élevé, une occupation minimale du spectre et un faible taux d'erreurs de transmission dans différentes conditions de fonctionnement. Pour obtenir un débit élevé dans un canal de largeur spectrale réduite (débit supérieur à 1 bit/s/Hz) différentes techniques ont été proposées dans le passé. Une première famille de techniques utilise comme base une modulation de fréquence multiniveau, assortie d'un filtrage adéquat du signal modulant (par exemple un filtrage gaussien, utilisé notamment dans les modulations GMSK) pour réduire les interférences dans le canal adjacent. Ces techniques présentent l'avantage d'une mise en oeuvre aisée, et conduisent à des signaux modulés à enveloppe constante. De ce fait, elles permettent d'équiper l'émetteur d'amplificateurs de puissance fonctionnant en régime saturé, ces amplificateurs étant facilement disponibles et bon marché, et offrant un excellent rendement. Mais il est nécessaire, pour respecter les contraintes relatives aux interférences entre canaux fréquentiels adjacents, de fortement limiter l'indice de modulation et de filtrer sévèrement le signal modulant. Ceci a pour effet de réduire la distance entre les symboles, ce qui nuit à la résistance de la modulation au bruit. En d'autres termes, la sensibilité des récepteurs radioélectriques est limitée. Une autre famille de techniques utilise comme base les modulations par déplacement de phase (PSK: " phase shift keying "), éventuellement différentielle (DPSK), avec utilisation d'un filtrage du signal résultant pour le respect des normes d'interférences entre canaux adjacents. On choisit en général un filtre vérifiant le critère de Nyquist afin de limiter l'interférence intersymboles. Ces techniques permettent en général d'obtenir des caractéristiques de sensibilité satisfaisantes au prix d'une forte variation de l'amplitude du signal radio, qui exige l'emploi d'amplificateurs très linéaires. Ces amplificateurs linéaires présentent des difficultés de réalisation et de réglage. D'autre part, leur rendement est généralement faible, ce qui est un grave inconvénient pour l'autonomie des stations mobiles. Il est possible d'utiliser un amplificateur non linéaire associé à une technique de linéarisation, mais une telle technique complique l'émetteur d'une manière très significative si les variations d'enveloppe sont importantes. Il a encore été proposé, par exemple dans les brevets américains 5 642 384 et 5 311 552, d'autres solutions o le choix approprié d'une constellation et d'une technique de modulation codée permet d'éviter des transitions dans la constellation pour lesquelles la variation de phase est relativement importante. Ceci permet de réduire la variation d'amplitude du signal radio à des valeurs compatibles avec des caractéristiques d'amplificateurs de réalisation plus aisée. Cette réduction de l'amplitude se fait toutefois au prix d'une diminution importante des distances entre symboles, qu'il est très difficile de compenser par des gains de codage, en particulier dans la zone de taux d'erreur la plus importante pour les communications de phonie, c'est-à-dire pour des taux d'erreur binaire (TEB) de l'ordre de 10-2, surtout lorsque le canal est affecté d'évanouissements (fading de Rayleigh). Un but de la présente invention est de proposer une famille de modulations numériques permettant une optimisation conjointe de la résistance au bruit, y compris dans un canal affecté d'évanouissements, des interférences entre canaux fréquentiels adjacents, et de la variation d'amplitude du signal radio. L'invention propose ainsi un procédé de modulation numérique, dans lequel on convertit les symboles successifs d'un train de signal numérique en incréments de phase, on obtient une phase accumulée par sommation des incréments de phase successifs, on obtient une phase modulante par filtrage de la phase accumulée, on produit un signal complexe dont l'argument représente la phase modulante, on module respectivement deux ondes radio en quadrature de phase sur la base dudit signal complexe, et on émet un signal radio résultant d'une combinaison des deux ondes modulées. Selon l'invention, on filtre numériquement ledit signal complexe, et des signaux numériques obtenus à partir des parties réelle et imaginaire du signal complexe filtré numériquement sont convertis en analogique avant d'être respectivement soumis à un filtrage analogique anti-repliement puis mélangés aux deux ondes radio. Lesdits signaux numériques obtenus à partir des parties réelle et imaginaire du signal complexe filtré numériquement sont typiquement constituées par ces parties réelle et imaginaire elles-mêmes. Toutefois, s'il est utilisé une technique de linéarisation d'amplificateur, notamment par prédistorsion (voir par exemple la demande de brevet européen No. 97400613.2), il se peut que ces parties réelle et imaginaire fassent l'objet d'une correction avant d'être converties en analogique. Le recours à une technique de linéarisation ne fait pas directement partie de la présente invention. Dans de nombreux cas, l'invention permettra de se dispenser d'une telle technique. Dans d'autres cas, elle permettra de simplifier largement la mise en ouvre de ces techniques (notamment en ne tenant pas compte des variations de phase), compte tenu des faibles variations d'enveloppe du signal autorisées par un choix approprié des paramètres du filtrage de la phase accumulée et desdites parties réelle et imaginaire. Les critères de ce choix seront exposés plus loin. L'invention permet la réalisation de systèmes de radiocommunication numérique, en particulier de radiocommunication professionnelle, conformes aux normes en vigueur en termes d'interférences entre canaux, offrant des caractéristiques de sensibilité, et donc de portée radioélectrique, sans équivalent, et ce en utilisant des composants d'amplification de puissance aisément disponibles sur le marché et procurant un rendement de puissance élevé. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un modulateur numérique, comprenant des moyens pour convertir les symboles successifs d'un train de signal numérique en incréments de phase, un sommateur qui accumule les incréments de phase successifs pour produire une phase accumulée, un filtre de phase recevant la phase accumulée et produisant une phase modulante, des moyens pour produire un signal complexe dont l'argument représente la phase modulante, et des moyens de modulation pour moduler respectivement deux ondes radio en quadrature de phase sur la base dudit signal complexe et pour émettre un signal radio résultant d'une combinaison des deux ondes modulées, les moyens de modulation comportant un filtre numérique auquel est appliqué le signal complexe, des convertisseurs analogique-numérique traitant respectivement des signaux numériques obtenus à partir des parties réelle et imaginaire du signal complexe filtré numériquement, des filtres analogiques anti-repliement recevant les signaux de sortie des convertisseurs analogique-numérique, et deux mélangeurs recevant chacun l'une des deux ondes radio et le signal de sortie de l'un des deux filtres anti- repliement. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci- après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont respectivement des schémas d'un modulateur numérique selon l'invention et d'un récepteur associé; et - les figures 3 et 4 sont des diagrammes montrant respectivement la constellation et le spectre d'une modulation réalisée selon l'invention. Le modulateur représenté sur la figure 1 comporte une unité 10 qui convertit les symboles successifs ai d'un train de signal numérique en incréments de phase A+. Les incréments de phase successifs Af produits par l'unité 10 sont accumulés par un sommateur 11. L'unité 10 peut simplement consister en un registre contenant les valeurs possibles des incréments de phase A et adresser par la valeur courante du symbole ai. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le train de symbole ai peut correspondre soit à un train binaire bi, soit à un autre train binaire ci de débit plus faible traité par un codeur à redondance 12. Les trains binaires bi et ci sont délivrés par des sources numériques telles que des codeurs de parole, des sources de données etc., avec généralement application d'un codage correcteur d'erreurs. Lorsque le codeur 12 est utilisé, le modulateur de la figure 1 opère selon une modulation codée (voir G. Ungerboeck, " Channel Coding with Multilevel/Phase Signals ", IEEE Trans. On Information Theory, Vol. IT- 28, No. 1, janvier 1982, pages 55-67). L'unité 10, le sommateur 11 et le codeur 12 sont cadencés par un signal d'horloge CKS ayant la fréquence 1/Ts des symboles ai. Le sommateur 11 stocke une valeur numérique entière k représentant une phase accumulée. Cette phase accumulée est donc stockée sous la forme de multiples entiers d'un sous-multiple de n, c'est-à-dire sous la forme générale (k/P)>. A chaque cycle de l'horloge CKS, la phase accumulée est incrémentée d'une valeur A4 dépendant du symbole courant ai. Si chaque symbole représente m bits, M=2m valeurs différentes de l'incrément pourront être ajoutées à chaque cycle. On choisit ces M valeurs de telle sorte que l'ensemble des incréments soit symétrique par rapport à la valeur 0 pour que le spectre soit symétrique. On utilisera typiquement des valeurs de k de la forme k=k'xK, K/P représentant l'indice de modulation, avec k'= -M+1, -M+3,..., -1, 1, .,M-3 ou M-1. Ce choix d'incréments équirépartis n'est pas le seul possible. Par exemple, avec m=2, on pourrait encore prendre k'=-7, -3, 3 ou 7. On note A4max=(kmax/P)n, la valeur maximale de..DTD: l'incrément de phase A+. La phase accumulée est adressée à un filtre numérique 15, dit filtre de phase, dont la fréquence d'échantillonnage 1/Te, donnée par un signal d'horloge CKE, est supérieure à la fréquence l/Ts des symboles ai (généralement un multiple de cette fréquence). Le signal de sortie du filtre de phase 15 est une phase modulante 'Y, qu'une unité 16 transforme en un signal complexe, c'est-à-dire en deux signaux réels, l'un I représentant la partie réelle de ce signal complexe, et l'autre Q représentant sa partie imaginaire. Ce signal complexe est de module constant et d'argument égal à la phase modulante. En d'autres termes, I=cos' et Q=sin'. L'unité 16 peut consister simplement en deux zones de mémoire morte adressées par la sortie du filtre 15 à chaque cycle de l'horloge CKE. Le signal complexe est filtré par un filtre numérique consistant, dans la réalisation représentée, en deux filtres identiques 17 filtrant respectivement les composantes I et Q. Deux convertisseurs numérique-analogique 18 convertissent en analogique les signaux de sortie des deux filtres 17. Les deux signaux analogiques résultant sont fournis à des filtres passe-bas 19 pour éliminer les composantes de repliement spectral. Deux ondes radio en quadrature à la fréquence porteuse, délivrées par un oscillateur local 20, sont modulées, au moyen de mélangeurs respectifs 21, aux signaux délivrés par les filtres anti-repliement 19. Les deux ondes ainsi modulées sont combinées par un sommateur 22 dont la sortie est fournie à l'amplificateur de puissance 23 du dispositif émetteur. Si l'amplificateur 23 faisait l'objet d'une linéarisation par prédistortion, il y aurait lieu de corriger les composantes I et Q filtrées avant de les convertir en analogique, entre les filtres 17 et les convertisseurs 18. Le récepteur représenté sur la figure 2 comprend un amplificateur à faible bruit 30 amplifiant le signal capté sur l'antenne, dont la sortie est convertie à une fréquence intermédiaire au moyen d'un mélangeur 31. Un filtre passe-bande 32 traite le signal de fréquence intermédiaire qui est ensuite de nouveau amplifié par un amplificateur 33. Deux autres mélangeurs 34 assurent la conversion en bande de base par mélange avec deux ondes en quadrature. Les deux composantes analogiques en quadrature fournies par les mélangeurs 34 sont soumises à des filtres passe-bas identiques 35, puis converties en numérique par des convertisseurs analogique-numérique 36. Les compo- santes numériques I' et Q' fournies par les convertisseurs 36 sont adressées à un démodulateur de canal 37. Le démodulateur 37 effectue les opérations de démodulation qui correspondent au modulateur incomplet formé par les éléments 10, 11, 15, 16 et (éventuellement) 12 de l'émetteur de la figure 1. Ce modulateur incomplet réalisant essentiellement une modulation à phase continue (CPM), le démodulateur 37 peut avoir la forme classique d'un démodulateur CPM. Il peut notamment être basé sur un treillis de démodulation pour appliquer l'algorithme de Viterbi. Le démodulateur 37 délivre des estimations bi ou ci des bits bi ou ci fournis au modulateur. Avantageusement, le démodulateur 37 peut inclure deux treillis. Il utilise l'un ou l'autre de ces deux treillis selon que le codeur 12 est utilisé ou non au niveau de l'émetteur. Le premier de ces deux treillis comporte les états de modulation. Le nombre de ces états est a priori ML-lxp, o L désigne la mémoire du filtre de phase 15 exprimée en nombre d'échantillons, M est le nombre de points de la constellation, et P le dénominateur de l'indice de modulation. Toutefois, il est généralement possible de réduire fortement le nombre d'états du treillis de démodulation sans nuire de façon significative à la qualité de réception. Le second des deux treillis intègre en outre les états de codage du codeur à redondance 12, conformément au principe des modulations codées. Ce second treillis est utilisé lorsque le codeur 12 est utilisé par l'émetteur. Lors de la conception du modulateur, on commence par choisir les valeurs des incréments de phase A+, comme indiqué précédemment. Ensuite, on construit le filtre 17 qui traite les composantes I et Q, et qui détermine les caractéristiques spectrales du signal résultant. Ce filtre 17 doit avoir des caractéristiques aussi proches que possible de celles du filtre de réception consistant en la combinaison des filtres 32 et 35. Une forme avantageuse du filtre numérique 17 de la composante I ou Q consiste en un filtre à réponse impulsionnelle finie choisie pour approcher au mieux une caractéristique temporelle de la forme f(t) = Sinc(at/Ts).Sinc(pt/Ts).e (7rt/Ts) (12 o Ts désigne la durée d'un symbole ai, et Sinc() désigne la fonction sinus cardinal. L'approximation est effectuée par un choix des coefficients réels a, p et y. On obtient ainsi des filtres numériques dont la restriction à une longueur finie est la plus précise possible grâce à la décroissance rapide de la fonction gaussienne. Les lobes secondaires induits par la limitation de la longueur du filtre numérique sont ainsi réduits au maximum. L'étape suivante consiste à définir le filtre de phase 15. Les caractéristiques de ce filtre 15 sont très corrélées à celles du filtre numérique 17. On donne ci- après une méthode heuristique basée sur la propriété mathématique suivante: une fonction complexe ejm(t) de module unitaire à une énergie maximale dans un filtre dont le gabarit spectral de puissance est la transformée de Fourrier d'une fonction h(t) (ou, en d'autres termes, a une énergie minimale en dehors de ce filtre), si elle vérifie l'équation suivante: | h(u-t). eim(t)dt = x(u). ejm(u) o X(u) est une fonction réelle. Pour la détermination du filtre de phase 15, on applique l'algorithme suivant: 1) On choisit un filtre de gabarit de puissance, c'est-à- dire une fonction h(t) dont la transformée de Fourier représente le gabarit spectral recherché. On choisit typiquement un filtre identique à celui choisi comme filtre I-Q. D'autres choix sont bien entendu possibles. De manière générale, il est préférable d'utiliser un filtre dont la réalisation numérique avec une réponse impulsionnelle finie de longueur assez courte est possible. 2) On prend comme première approximation de la fonction de variation de phase, c'est-à-dire de la fonction disponible à la sortie du filtre de phase lorsque l'incrément de phase maximal A4max est fourni à l'accumulateur 11, une fonction D0 égale à 0 pour t égale à Aàmaxt/Ts pour 0 Ts. D'autres approximations à l'aide de fonctions continues égales à 0 pour t Ts seraient utilisables. 3) On calcule itérativement une fonction On grâce à la formule: J h(u-t).)n(t) dt n+lÀ(U) -=f h(u-t). on(t) dt 4) On calcule la n-ième approximation de la réponse impulsionnelle du filtre de phase qui est égale à la dérivée de la fonction Dn. On peut également faire une approximation de cette fonction dérivée à l'aide d'une formule analytique approchée pour faciliter les calculs ultérieurs. Cette formule analytique peut être: g(t) = Sinc(a't/Ts).Sinc(P't/Ts).e (ity t/Ts) (2) o a', P' et y' sont des coefficients réels. ) Pour l'une de ces approximations (par exemple n=2 ou 3), on évalue les caractéristiques de la modulation vis-à-vis des critères de puissance des interférences dans les canaux fréquentiels adjacents, de variation d'amplitude et de résistance au bruit. Si cette approximation ne convient pas, on reprend les calculs 1) à 4), en modifiant les valeurs des incréments de phase, et/ou en modifiant la forme du filtre I-Q 17, et/ou en modifiant la forme du filtre mentionné au 1) ci-dessus, et/ou en modifiant l'approximation du filtre de phase obtenue par l'algorithme. Le filtre de phase choisi est alors mis en ouvre sous forme de filtre numérique à réponse impulsionnelle finie. Le filtre de phase 15 du modulateur de la figure 1 pourrait être remplacé par un banc de filtres de phase sélectionnés selon l'origine du train de symboles ai. On pourrait ainsi avoir un filtre de phase 15 optimisé pour le cas o le codeur à redondance 12 n'est pas utilisé, et un autre optimisé pour le cas o le codeur 12 est utilisé. Dans une réalisation particulière de l'invention, la durée T d'un symbole ai est égale à 125 ps. Le nombre de bits par symbole est de 2, les incréments de phase étant de -7, -7r/3, n/3 ou a,. Le débit binaire est alors de 16 kbit/s. Les spécifications spectrales sont celles de la norme ETSI 300-113. La réponse impulsionnelle finie du filtre de phase 15 est d'une longueur de 4 symboles, et est de la forme (2) avec c'=0,77, P'=0,5 et y'=0. La réponse impulsionnelle finie du filtre I-Q 17 est d'une longueur de 8 symboles, et est de la forme (1) avec a=l,6, P=0,1 et y=0,12. Les valeurs indiquées des paramètres des filtres pourraient être remplacées par des valeurs du même ordre. La constellation correspondant à cette modulation est représentée sur la figure 3. On notera la très faible variation d'amplitude, puisque le rapport entre la puissance instantanée maximum et la puissance moyenne est de seulement 1,2 dB, tandis que le rapport entre les puissances instantanées maximum et minimum est inférieur à 2,4 dB. Ces caractéristiques facilitent la mise en ouvre de cette modulation avec des amplificateurs de puissance faiblement linéarisés, facile à mettre au point et offrant un rendement très proche des amplificateurs saturés. Le spectre est présenté sur la figure 4. On voit que le niveau d'interférences dans le canal adjacent est très faible et compatible avec les normes les plus exigeantes. Les performances de résistance au bruit sont excellentes, puisqu'avec un canal affecté de bruit blanc gaussien, un taux d'erreur de 1% est constaté pour un rapport signal- sur-bruit Eb/No de 5,5 dB dans le cas de stations statiques, tandis que ce même taux d'erreur de 1% est obtenu pour Eb/No=16 dB dans un cas dynamique (vitesse de 70 km/h, porteuse de 400 MHz). Ces valeurs de taux d'erreur sont obtenues avec des démodulateurs simples et classiques (figure 2), c'est-à-dire des démodulateurs à treillis avec un très petit nombre d'états. On peut utiliser un treillis à seulement trois états dans l'exemple indiqué. Dans cette même réalisation de l'invention, le codeur à redondance facultatif 12 permet de réaliser une modulation codée. Le codage à redondance est ici un codage convolutif de rendement 1/2, le débit binaire étant alors de 8 kbit/s. Les valeurs des filtres sont identiques, et un treillis à quatre états seulement peut être utilisé au démodulateur. Le gain de codage est de l'ordre de 2,5 dB, avec un taux d'erreur de 1% constaté pour Eb/NO=3,4 dB sur un canal affecté d'un bruit blanc gaussien dans un cas statique. R E V E N D I C A T IONS 1. Procédé de modulation numérique, dans lequel on convertit les symboles successifs (ai) d'un train de signal numérique en incréments de phase (A+), on obtient une phase accumulée par sommation des incréments de phase successifs, on obtient une phase modulante (Y) par filtrage de la phase accumulée, on produit un signal complexe dont l'argument représente la phase modulante, on module respectivement deux ondes radio en quadrature de phase sur la base dudit signal complexe, et on émet un signal radio résultant d'une combinaison des deux ondes modulées, caractérisé en ce qu'on filtre numériquement ledit signal complexe, et en ce que des signaux numériques obtenus à partir des parties réelle et imaginaire (I,Q) du signal complexe filtré numériquement sont convertis en analogique avant d'être respectivement soumis à un filtrage analogique anti-repliement puis mélangés aux deux ondes radio. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le filtrage numérique dudit signal complexe consiste en deux filtrages identiques de ses parties réelle et imaginaire (I,Q). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le filtrage numérique de la partie réelle ou imaginaire du signal complexe a une réponse impulsionnelle finie approchant une caractéristique temporelle de la forme: f(t) = Sinc(at/Ts).Sinc(Pt/Ts).e- (Tt/Ts), o Ts désigne la durée d'un symbole du train binaire, a, et y sont des coefficients réels, et Sinc() désigne la fonction sinus cardinal. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le filtrage de la phase accumulée a une réponse impulsionnelle finie approchant une caractéristique temporelle de la forme: g(t) = Sinc(a't/Ts). Sinc('t/Ts).e (7Y't/Ts)2 o a', P' et y' sont des coefficients réels. 5. Modulateur numérique, comprenant: des moyens (10) pour convertir les symboles successifs (ai) d'un train de signal numérique en incréments de phase (A+), un sommateur (11) qui accumule les incréments de phase successifs pour produire une phase accumulée, un filtre de phase (15) recevant la phase accumulée et produisant une phase modulante (F), des moyens (16) pour produire un signal complexe dont l'argument représente la phase modulante, et des moyens de modulation pour moduler respectivement deux ondes radio en quadrature de phase sur la base dudit signal complexe et pour émettre un signal radio résultant d'une combinaison des deux ondes modulées, caractérisé en ce que les moyens de modulation comportent un filtre numérique (17) auquel est appliqué ledit signal complexe, des convertisseurs analogique- numérique (18) traitant respectivement des signaux numériques obtenus à partir des parties réelle et imaginaire (I,Q) du signal complexe filtré numériquement, des filtres analogiques anti-repliement (19) recevant les signaux de sortie des convertisseurs analogique- numérique, et deux mélangeurs (21) recevant chacun l'une des deux ondes radio et le signal de sortie de l'un des deux filtres anti-repliement. 6. Modulateur selon la revendication 5, dans lequel le filtre numérique auquel est appliqué ledit signal complexe consiste en deux filtres identiques (17) recevant respectivement les parties réelle et imaginaire (I,Q) du signal complexe. 7. Modulateur selon la revendication 6, dans lequel le filtre numérique (17) auquel est soumis le signal complexe a une réponse impulsionnelle finie approchant une caractéristique temporelle de la forme: f(t) = Sinc(at/Ts).Sinc(pt/Ts).e- (Yt/Ts) 2 o Ts désigne la durée d'un symbole (ai) du train binaire, a, P et y sont des coefficients réels, et Sinc() désigne la fonction sinus cardinal. 8. Modulateur selon la revendication 7, dans lequel le filtre de phase (15) a une réponse impulsionnelle finie approchant une caractéristique temporelle de la forme: g(t) = Sinc(a't/Ts).Sinc('t/Ts).e (ett/Ts)2 o a', P' et y' sont des coefficients réels. 9. Modulateur selon la revendication 8, dans lequel Ts=125ps, chaque symbole (ai) du train binaire est constitué de 2 bits, les incréments de phase (A+) sont de -s, -n/3, x/3 ou A, oe1,6, P 0,1, y 0,12, a'0,77, P'#0,5, et y'0.