Brevet FR2764158A1 — publié le 19981204

La présente invention est relative à un dispositif d'estimation de décalage de fréquence notamment pour un démodulateur de téléphone mobile. La modulation de fréquence est la technique de modulation la plus répandue utilisée dans les systèmes radio mobiles. Dans la modulation de fréquence, les signaux ont toute leur information contenue dans la phase ou la fréquence de la porteuse. Pour récupérer les données, le démodulateur utilisé doit estimer la phase ou la fréquence du signal. Si la fréquence porteuse n'est pas exactement la fréquence attendue (en raison d'une différence de fréquence entre la fréquence des oscillateurs de l'émetteur et du récepteur), ceci peut entrainer une imprécision et de ce fait augmenter le taux d'erreur du démodulateur. On supposera ci-après que l'oscillateur du récepteur est parfait mais que l'oscillateur de l'émetteur est mauvais. En réalité, les deux sont mauvais. L'un des grands problèmes des systèmes radio est de réduire l'impact de l'erreur de fréquence du signal reçu en le compensant localement. En effet, afin de réduire le coût total des systèmes, les fabricants sont rétissants à utiliser des oscillateurs précis et de ce fait coûteux. Il existe usuellement deux manières de compenser l'erreur de fréquence de la porteuse: a) on change la fréquence de l'oscillateur du récepteur afin de l'adapter à la fréquence de la porteuse. Il s'agit d'une compensation externe en utilisant un VTCXO; b) on corrige la fréquence directement à l'intérieur du démodulateur. Il s'agit donc d'une compensation interne. Dans les deux cas, une bonne estimation de l'erreur de fréquence dans un environnement probablement mauvais (faible rapport signal/bruit) est nécessaire dans un délai assez bref. De plus, si le récepteur reçoit successivement des signaux provenant de différents émetteurs, il doit souvent estimer de nouvelles erreurs de fréquence. Dans ce cas, l'estimateur d'erreur de fréquence doit donner une estimation fiable sur la base d'un très petit nombre d'échantillons. L'invention vise à créer un estimateur d'erreur de fréquence très efficace utilisé avec un démodulateur de phase différentiel. Elle vise également à créer un estimateur d'erreur de fréquence particulièrement adapté à un démodulateur n/4-MDP4 à modulation de phase à quatre états avec saut de C/4 dédié aux applications sans fil telles que les téléphones mobiles PHS et PDC. L'invention a donc pour objet un procédé d'estimation du décalage de fréquence dans un signal reçu par un démodulateur d'un poste de téléphone mobile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: calculer un signal d'erreur ú à partir de la phase du signal de sortie du démodulateur et de la phase idéale 4o de ce signal; - calculer des estimations des moyennes du signal S (FO-RAW) et de sa valeur absolue (Q-RAW) sur un certain nombre d'échantillons, prendre un certain nombre de bits (nFO.Ew, nQ-w) de ces estimations et les appliquer à des moyens de modélisation d'une fonction Q(FO-RAW, Q-RAW) représentant le décalage en fréquence. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: - la Fig.l est un diagramme représentant les points de phase d'une modulation MDP4 (QPSK); - la Fig.2 est un diagramme analogue à celui de la figure 1 montrant l'impact du décalage de fréquence sur la démodulation MDP4 différentielle; - la Fig.3 est un diagramme représentant l'effet de l'erreur de fréquence sur la composante en phase I du signal en modulation n/4-MDP4; - la Fig.4 est un histogramme du signal I; - la Fig.5 est un diagramme représentant l'histo- gramme de I dans un environnement de bruit, sans erreur de fréquence; - la Fig.6 est un diagramme représentant l'histo- gramme de I dans un environnement de bruit, avec erreur de fréquence; - la Fig.7 est un diagramme représentant l'impact du décalage de fréquence sur l'estimation de qualité; et - la Fig.8 est un schéma synoptique du circuit d'estimation de décalage de fréquence suivant l'invention. Dans la description qui va suivre, on explique tout d'abord l'impact de l'erreur de fréquence sur la valeur de la phase des échantillons démodulés. On décrit ensuite le principe de l'invention. Enfin, on décrit l'estimateur d'erreur de fréquence utilisé dans les applications PHS de téléphone mobile. L'influence de l'erreur de fréquence est tout d'abord examinée en étudiant la modulation PSK. Dans le cas d'une modulation de phase, l'information est contenue dans la phase du signal: U(t) = A cos(2nfot + (t)) o U(t) est le signal modulé fo est la fréquence porteuse +(t) est la phase du signal, en fonction de l'information. Au point d'échantillonnage, 4(kT) appartient généralement à un certain groupe de valeurs possibles. La figure 1 montre quatre points de phase de modulation MDP4. On va maintenant considérer l'impact de l'erreur de fréquence. Il y a en principe deux manières de démoduler le signal: a) multiplication du signal reçu par une fréquence intérieure accordée sur la fréquence porteuse attendue (démodulation cohérente), b) multiplication du signal reçu par le même signal stocké un symbole avant (démodulation différen- tielle). Dans le cas d'une démodulation cohérente, on obtient: M(t)=A cos(27cflt + $(t))x B cos(27rfot + 4o). o -M(t) est la première étape de la démodulation -fo est la fréquence porteuse f1 est la fréquence porteuse augmentée d'une erreur de fréquence (fl=fo + f.rror) +(t) est la phase du signal fonction de l'information 4o est la phase initiale du signal interne. On suppose que 0 O afin de simplifier la notation. M(t)=AB[cos(27(fl+f0)t+(t))+cos (2t(fl-f0)t+(t))]=X+Z La première expression X est filtrée dans le démodulateur. La seconde expression Z contient l'information. Lorsqu'il n'y a pas d'erreur sur la fréquence de l'émetteur, Z-cos(4(t)). Lorsqu'il y a une erreur sur la fréquence de l'émetteur Z-cos(27f.rror t++(t)). Dans le cas d'une démodulation différentielle non cohérente, on obtient la relation: M(t)=A cos(27f1t+4(t))* B cos(27fl(t+T)+4(t+T)) dans laquelle M(t) est la première étape de la démodulation, - f1 est la fréquence porteuse plus une erreur de fréquence (flfo+f.rror) - + (t) est la phase du signal dépendant de l'information, - T est la période du symbole: M(t)-AB[cos(27Cf1(2t+T)+4(t))+4(t+T))+cos(27flT+ 4(t+T) - 4(+))]= X+Z La première expression X est filtrée dans le démodulateur. La seconde expression Z contient l'information. Lorsqu'il n'y a pas d'erreur sur la fréquence de l'émetteur, Z=cos(2Kf0T+4(t+T)-4(t)). fo et T sont habituellement choisis de manière que T = n x l/fo. Dans ce cas, Z - cos(4(t)). Lorsqu'il y a une erreur sur la fréquence de l'émetteur: Z = cos(2Kf, rror T+4(t+T)-(t)) Z = cos(4, + 4(t+T)- +(t)) o k. est une erreur de phase constante due à l'erreur de fréquence. Ainsi, l'impact du décalage de fréquence dans le cas d'une démodulation non cohérente est une erreur de phase constante. Cette erreur de phase peut être aisément corrigée. Le rôle de l'estimateur d'erreur de décalage de fréquence est de donner une estimation de À. aussi rapidement que possible et avec la meilleure fiabilité même dans un environnement très défavorable. L'impact du décalage de fréquence sur une démodulation PSK différentielle est représenté à la figure 2. On va maintenant décrire la mise en oeuvre générale d'un estimateur de décalage de fréquence. Un démodulateur usuel calcule les composntes en phase et en quadrature I et Q du signal pour récupérer les données. On va donc expliquer l'effet de l'estimateur du décalage de fréquence sur ces signaux I et Q. Mais le principe reste le même si le démodulateur estime directement la phase du signal ou une autre fonction monotone de la phase. On va prendre l'exemple d'une modulation n/4-MDP4 utilisée dans les systèmes PHS, PDC, PACS par exemple. Le principe est toujours valable avec d'autres démodulations différentielles du type MDP. L'estimateur de décalage de fréquence utilise l'erreur entre l'échantillon (point blanc de la figure 2) et l'échantillon idéal (point gris). Cette erreur est appelée ú. Comme on le voit clairement à la figure 3, dans le cas d'une estimation de I et de Q. on voit que le signe de l'impact d'un décalage de fréquence dépend du quartier dans lequel se trouve l'échantillon. Si l'échantillon est dans la partie grise, l'erreur sur I est +E. Si l'échantillon est dans la partie blanche, l'erreur est -ú. L'effet de l'erreur de fréquence sur la composante I est représenté à la figure 3. On suppose dans ce qui suit que le signe est compensé de telle sorte que l'impact de l'erreur de fréquence est toujours ú quel que soit l'échantillon. Dans le cas de la modulation n/4-MDP4, l'histogramme de I(ou de Q) avec ou sans décalage dans des conditions parfaites est représenté à la figure 4. Celle-ci explique pourquoi un estimateur de décalage usuel utilise la moyenne de l'erreur ú pour obtenir une estimation de l'erreur en fréquence. Par la suite, on appellera cette estimation FO-RAW = moyenne (8). Mais dans le cas d'un environnement défavorable, par exemple en présence de bruit blanc gaussiers (AWGN), l'histogramme de I devient plus important et des erreurs de démodulation se produisent, en particulier dans le cas d'une erreur de décalage de fréquence. La figure 5 montre l'histogramme de la composante en phase I dans un environnement de bruit et sans erreur de fréquence. Lorsqu'une démodulation erronée se produit, l'estimation d'erreur E devient également erronée. Sur la figure 6, l'erreur réelle sur les échantillons "sombres" est de l1. Mais du fait de la démodulation erronée, l'estimation d'erreur est de ú2. La figure 6 montre l'histogramme de I dans un environnement bruyant avec une erreur de fréquence. En raison de ces erreurs, l'estimation FO-RAW est inférieure à ce que l'on attend. L'erreur sur FO-RAW est d'autant plus importante que l'erreur de fréquence et la quantité de bruit sont élevées. On voit donc que l'estimation FO-RAW dépend du décalage de fréquence mais également de la qualité du signal reçu. FO-RAW = FO-RAW(décalage de fréquence, qualité) On va maintenant décrire l'estimation de la qualité. On voit qu'il est important d'évaluer la qualité du signal afin d'obtenir une estimation de décalage de fréquence fiable. La manière habituelle d'estimer la qualité d'un signal est d'évaluer la variance du signal, cest-à-dire d'évaluer la moyenne de la valeur absolue de l'erreur de phase qu'on appelle Q-RAW = moyenne (8). Dans cet estimateur, l'impact d'une erreur de démodulation n'est pas si dommageable car la valeur absolue est utilisée. Mais on constate que même dans un environnement très favorable, l'estimation Q-RAW augmente avec le décalage de fréquence. Dans le cas d'un décalage de fréquence important, Q-RAW délivre une valeur élevée même si la qualité du signal est très bonne. La figure 7 montre l'impact du décalage de fréquence sur l'estimation de la qualité. Il résulte de ce qui précède que l'estimteur Q-RAW dépend de la qualité du signal mais également de l'erreur de fréquence. Q-RAW = Q-RAW (décalage de fréquence, qualité). Suivant l'invention on utilise l'information de décalage de fréquence contenue à la fois dans les signaux FO-RAW et Q-RAW et on retire l'information de qualité. A cet effet, on doit évaluer la fonction suivante: Q(FO-RAW,Q-RAW)= décalage de fréquence. Une approximation de Q est assurée en utilisant une mémoire ROM. La mémoire ROM peut bien entendu être synthétisée par une logique combinatoire afin d'obtenir une implémentation plus efficace. Pour la programmation de la mémoire ROM, il y a deux moyens d'évaluer la fonction Q. c'est-à-dire de calculer les meilleurs coefficients à stocker dans la ROM. Q peut être calculée directement grâce à des équations de système. Dans ce cas, la seule chose à faire est de quantifier la fonction Q selon les valeurs possibles de Q-RAW et FO-RAW. Dans la plupart des cas, il est difficile de définir explicitement la fonction Q en particulier lorsque l'on essaie de tenir compte de l'effet du bruit. Les coefficients pourraient être calculés par simulation ou par expérimentation. La meilleurs manière est de fixer arbitrairement l'erreur de fréquence à une certaine valeur connue pour chaque essai n d'une série d'essais. Soit 8n, l'erreur de fréquence pendant l'essai numéro n. Pour ce numéro d'essai n, soient FO-RAW, et Q-RAW,, les valeurs correspondantes de FO-RAW et Q-RAW. Q(FO-RAW, Q-RAW) est définie par la valeur moyenne de toutes les 8a telles que FO-RAW=FO-RAW, et Q- RAW=Q-RAWn. Dans le cas d'un démoduleur différentiel Z/4-MDP4 (modulation de phase à quatre états avec saut de 7/4), la mise en oeuvre de l'invention est réalisée comme suit. Le démodulateur fournit à l'estimateur de décalage de fréquence, une estimation des composantes I et Q en phase et en quadrature du signal qu'il a reçu. Ces composantes I et Q sont comparées aux composantes Io et QO de la position idéale. Ensuite, l'erreur E sur I est estimée et corrigée afin de retirer la variation de signe selon la valeur Q de l'échantillon comme indiqué au début de la descrip- tion. Les estimations FO-RAW et Q-RAW sont calculées sur la quantité d'échantillons disponibles. Avec seulement 12 échantillons, l'implémentation obtient un très bon résultat même dans un environnement défavorable. npo-Rw et n%- w sont respectivement le nombre de bits utilisés de FO-RAW et Q-RAW. nfrq.Oft.,t est le nombre de bits de l'estimation du décalage de fréquence. La dimension totale de la ROM est: Dimension ROM = 2 (nO-.w + nQWw)*nfre.offrît La mémoire ROM peut être remplacée par un circuit logique. Dans ce cas, la dimension de l'implémentation peut être considérablement améliorée grâce à la redondance et à la symétrie dans Q. Le circuit d'estimation de décalage de fréquence suivant l'invention est représenté à la figure 8. Il comprend un circuit 1 de calcul d'erreur qui reçoit sur ses entrées les signaux I, Q tirés du signal transmis et Io, Qo correspondant à la phase idéale. Le circuit 1 est connecté à sa sortie à un premier sommateur 2 directement et à un second sommateur 3, par l'intermédiaire d'un circuit 4 d'établissement de la valeur absolue ABS du signal d'erreur ú apparaissant à la sortie du circuit de calcul d'erreur 1. La sortie du premier sommateur 2 est connectée à un circuit FO-RAW 5 destiné à prendre n bits FO-RAW parmi les bits FO-RAW disponibles. La sortie du second sommateur 3 est connectée à l'entrée d'un circuit QRAW 6 destiné à prendre nbits Q- RAW parmi les bits Q-RAW disponibles. Les sorties de premier et second sommateurs 2 et 3 sont en outre rebouclés sur les secondes entrées par l'intermédiaire de circuits à retard d'un symbole 7,8 respectifs. Les sorties des circuits 5 et 6 sont connectées à des entrées d'adresses correspondantes d'une mémoire ROM programmée de la manière indiquée plus haut et qui constitue des moyens de modélisation de la fonction Q (FO-RAW, Q-RAW). A la sortie de cette mémoire ROM apparaît le signal de décalage de fréquence. On remarquera que la même implémentation peut être utilisée afin d'obtenir une estimation de qualité indépendante de l'erreur de fréquence. Certains résultats donnés par le circuit d'estimation de décalage de fréquence suivant l'invention sont donnés ci-après. Dans le cas de l'implémentation de la figure 8, le résultat du décalage de fréquence est donné avec une précision de 3ppm. La plage d'application est de - 9ppm à 9ppm. Le procédé et le dispositif d'estimation de décalage de fréquence qui vient d'être décrit est particulièrement adapté aux applications sans fil, caractérisées par une séquence d'apprentissage courte et un environnement de communication défavorable. L'algorithme estime d'abord la moyenne de l'erreur de phase du symbole démodulé et sa variance. Grâce à ces deux paramètres statistiques et à l'intervention de la mémoire ROM ou d'une logique combinatoire, on obtient une estimation de décalage de fréquence très fiable et ceci avec des moyens d'une très faible complexité. L'efficacité du procédé et du dispositif de l'invention permet de corriger la fréquence à l'intérieur d'un paquet et de ne pas attendre le paquet de données suivant pour appliquer l'estimation. Cette caractéristique est très intéressante dans le cas de la démodulation de plusieurs stations de base qui ont des décalages de fréquence différents. REVENDICATIONS 1. Procédé d'estimation du décalage de fréquence dans un signal reçu par un démodulateur d'un poste de téléphone mobile, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à: - calculer un signal d'erreur E à partir de la phase 4 du signal de sortie du démodulateur et de la phase idéale o de ce signal; - calculer des estimations des moyennes du signal C (FO-RAW) et de sa valeur absolue (Q-RAW) sur un certain nombre d'échantillons, prendre un certain nombre de bits (nO-.w, nQ-w) de ces estimations et les appliquer à des moyens de modélisation d'une fonction Q(FO-RAW, Q-RAW) représentant le décalage en fréquence. 2. Procédé d'estimation suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du démodulateur est formé de sa composante I en phase et de sa composante Q en quadrature, et en ce que le signal d'erreur E est calculé à partir de ces composantes en phase et en quadrature I et Q du signal démodulé et des composantes en phase et en quadrature Io et Q0 correspondant à un signal de phase idéale. 3. Procédé d'estimation suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la modélisation de la fonction Q(FO-RAW, Q-RAW) représentant le décalage de fréquence consiste à fixer arbitrairement l'erreur 8n de fréquence à une certaine valeur connue pour chacun n d'une série d'essais, F0-RAWn et QRAWn étant les valeurs correspondantes de FO-RAW et Q-RAW et à définir la fonction Q(FO-RAW, Q-RAW) par la valeur moyenne de toutes les erreurs 8n telles que FO-RAW - F0- RAWn et Q-RAW = Q-RAWn. 4. Dispositif d'estimation du décalage de fréquence dans un signal reçu par un démodulateur différentiel d'un poste de téléphone mobile destiné à la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (1) pour calculer un signal l'erreur ú à partir de la phase 4 du signal de sortie du démodulateur et de la phase idéale 4o de ce signal, des moyens (4) d'établissement de la valeur absolue (ABS) du signal d'erreur 8, des moyens (2,5,7) de calcul de l'estimation de la moyenne du signal d'erreur ú calculé sur un certain nombre d'échantillons dont sont pris nFO-w bits, des moyens (3,6,8) de calcul de l'estimation de la moyenne de la valeur absolue du signal d'erreur E sur un certain nombre d'échantillons dont sont pris n%..w bits et des moyens (10) pour modéliser à partir desdites estimations, une fonction Q(FO-RAW, Q-RAW) de décalage de fréquence. 5. Dispositif d'estimation suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de modélisation sont une mémoire ROM(10) ou une logique combinatoire comprenant une première entrée reliée à la sortie des moyens (2,7,5) de calcul de l'estimation de la moyenne du signal d'erreur E calculé sur un certain nombre d'échantillons dont sont pris no-w bits et une seconde entrée reliée à la sortie des moyens (3,6,8) de calcul d'estimation de la moyenne de la valeur absolue du signal d'erreur E sur un certain nombre d'échantillons dont sont pris nu_w bits. 6. Dispositif d'estimation suivant l'une des revendications 3 à 5, appliqué à un démodulateur 7r/4- MSP4, caractérisé en ce que lesdits moyens (1) pour calculer le signal d'erreur E à partir de la phase 4 du signal de sortie du démodulateur et de la phase idéale 4o de ce signal reçoivent sur une entrée les composantes en phase et en quadrature (I,Q) du signal de sortie du démodulateur et sur une autre entrée, les composantes en phase et en quadrature (Io,Qo) du signal de phase idéale.