Brevet FR2795892A1 — publié le 20010105

PROCEDE ET DISPOSITIF D'EMISSION D'UN SIGNAL RADIO DANS UN SYSTEME DE COMMUNICATION A ACCES MULTIPLE A REPARTITION PAR CODES La présente invention concerne les radiocommunications à accès multiple à répartition par codes (CDMA, Code-Division Multiple Access ). Dans le cadre de la liaison descendante d'un système CDMA, d'une station de base vers des terminaux mobiles, les signaux destinés aux différents terminaux mobiles sont multiplexés sur la même fréquence porteuse. Ils font l'objet d'un étalement de spectre au moyen de codes d'étalement orthogonaux ou quasi-orthogonaux et ils sont additionnés entre eux. Un signal en bande de base est formé par la convolution de la somme de ces signaux et d'une impulsion de mise en forme spectrale. Le signal en bande de base qui en résulte module la fréquence porteuse pour former le signal radio qui est ensuite amplifié avant d'être émis par l'antenne de la station de base. L'amplificateur de puissance, placé juste avant l'antenne, présente généralement une saturation lorsque son signal d'entrée a une valeur supérieure à un seuil correspondant à la dynamique de l'amplificateur. Cette saturation dégrade les performances du système. Dans le cas d'un système CDMA, comme les codes d'étalement relatifs aux utilisateurs sont orthogonaux, le signal émis par la station de base peut être vu comme ayant une distribution gaussienne. Ceci implique que lorsque le nombre d'utilisateurs augmente, le signal en bande de base a tendance à prendre de grandes valeurs. Etant donné que le coût de l'amplificateur de puissance augmente considérablement avec sa dynamique, il est souhaitable de prévoir en amont de cet amplificateur, en particulier à l'extrémité de la chaîne numérique, un dispositif permettant de diminuer la dynamique du signal. Une méthode connue pour limiter la dynamique du signal d'entrée de l'amplificateur de puissance consiste à tronquer les échantillons du signal en bande de base dont la valeur dépasse un seuil déterminé correspondant à la dynamique maximum souhaitée. Cette troncature brutale nuit à la qualité spectrale du signal puisqu'elle relève le niveau du signal dans les bandes adjacentes. Pour préserver le gabarit spectral spécifié pour l'émission, on est alors amené à filtrer le signal tronqué au moyen d'un filtre passe-bas. Ce filtrage rétablit des pics de puissance du signal de manière gênante pour l'amplificateur, et il altère également le spectre du signal. Un but de la présente invention est de proposer une solution simple et efficace pour limiter la dynamique du signal d'entrée de l'amplificateur de puissance en limitant l'altération du spectre du signal. L'invention propose ainsi un procédé d'émission d'un signal radio dans un système de communication à accès multiple à répartition par codes, dans lequel on forme un signal numérique en bande de base par sommation de contributions relatives à plusieurs canaux et convolution par une impulsion de mise en forme, on limite l'amplitude dudit signal numérique en bande de base, on module une fréquence porteuse avec le signal numérique en bande de base d'amplitude limitée, selon une modulation radio linéaire, et on traite le signal radio résultant de la modulation avant de l'émettre, le traitement incluant une amplification de puissance. Pour limiter ladite amplitude, on soustrait du signal numérique en bande de base un signal de correction mis en forme spectralement avec ladite impulsion de mise en forme. Au lieu de couper le signal aux endroits où son module est plus grand que le maximum fixé, on lui retranche une correction ayant le même spectre que l'impulsion de mise en forme du signal. En conséquence, le spectre initial du signal est conservé, aussi bien dans la bande utile que dans les bandes adjacentes, puisque la modulation appliquée est linéaire. La soustraction revient à ajouter au signal d'origine un léger bruit ayant le même spectre. On peut ainsi se dispenser de filtrer le signal pour compenser des distorsions spectrales. Le procédé permet en outre, pour des performances données avec un gabarit spectral déterminé, d'utiliser un amplificateur de puissance de dynamique plus faible. II en résulte une réduction appréciable du coût. Dans une première version du procédé, le signal de correction comporte, pour au moins un échantillon du signal numérique en bande de base vérifiant un critère de limitation d'amplitude, une impulsion proportionnelle à l'impulsion de mise en forme et centrée sur ledit échantillon. Le critère de limitation d'amplitude peut être que le module de l'échantillon dépasse un seuil déterminé M. II peut aussi être que la partie réelle ou la partie imaginaire de l'échantillon dépasse le seuil M. Dans une réalisation particulière, on examine successivement les échantillons du signal numérique en bande de base, et chaque fois qu'un échantillon vérifie le critère de limitation d'amplitude, on soustrait du signal numérique en bande de base une impulsion proportionnelle à l'impulsion de mise en forme et centrée sur ledit échantillon. L'impulsion, que comporte le signal de correction pour un échantillon S(n) du signal numérique en bande de base, est avantageusement proportionnelle à l'impulsion de mise en forme dans le rapport S(n).[1-MI@S(n)j ], !S(n) désignant le module de l'échantillon S(n). Dans une autre réalisation, on détermine l'échantillon de plus grand module dans une fenêtre du signal numérique en bande de base incluant un échantillon vérifiant le critère de limitation d'amplitude, et le signal de correction comporte une impulsion centrée sur ledit échantillon S(n) de plus grand module @S(n) et proportionnelle à l'impulsion de mise en forme dans le rapport S(n).[1-M/IS(n) ]. Dans une seconde version du procédé, le signal de correction est obtenu par convolution, par l'impulsion de mise en forme, d'une différence entre le signal numérique en bande de base et une version écrêtée du signal numérique en bande de base. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un émetteur radio à accès multiple à répartition par codes, comprenant des moyens pour former un signal numérique en bande de base par sommation de contributions relatives à plusieurs canaux et convolution par une impulsion de mise en forme, des moyens de limitation de l'amplitude dudit signal numérique en bande de base, des moyens de modulation d'une fréquence porteuse avec le signal numérique en bande de base d'amplitude limitée, selon une modulation radio linéaire, et des moyens de traitement du signal radio résultant de la modulation, incluant un amplificateur de puissance. Les moyens de limitation sont agencés pour soustraire du signal numérique en bande de base un signal de correction mis en forme spectralement avec ladite impulsion de mise en forme. 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 - la figure 1 est un schéma synoptique d'un émetteur radio selon l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des organigrammes de procédures de limitation d'amplitude utilisables dans l'émetteur de la figure 1 ; et - la figure 4 est un schéma synoptique d'une constitution possible du circuit de limitation d'amplitude dans une variante de réalisation de l'invention. L'invention est applicable dans les stations de base de systèmes de radiocommunication en mode CDMA. Le système considéré à titre d'illustration sur la figure 1 est par exemple du type spécifié par l'ETSI (European Telecommunications Standard lnstitute) pour le système CDMA à large bande (W-CDMA) à duplex fréquentiel (FDD) dans le cadre de l'UMTS ( Universal Mobile Telecommunications System ). Les circuits de traitement de la station de base comprennent une partie numérique 5-9 pour les traitements en bande de base, et une partie analogique 10-11 pour les traitements en radiofréquence. La partie numérique peut être réalisée, comme il est usuel, en programmant des processeurs de signal numérique (DSP) ou au moyen de circuits intégrés d'application spécifique (AS IC). Les trains binaires sz à émettre par la station de base sur les différents canaux d'utilisateur (1 Les codes d'étalement CCz,k et CSk sont composés d'échantillons réels à valeurs 1, appelés chips . La cadence Fc = 11T. des chips du code CSk est supérieure à celle des bits sz. Elle est de 4,096 Mchipls dans le cas considéré. Celle de chaque code CCz,k est de la forme F,l2m(z), avec m(z) entier positif ou nul. Les codes CCz,k sont orthogonaux deux à deux, ce qui assure que chaque terminal mobile destinataire pourra récupérer la portion de signal qui lui est destinée, par convolution du signal reçu par son code d'étalement. Les codes CSk sont quasi-orthogonaux d'une station de base à une autre, ce qui permet de réutiliser la même fréquence porteuse dans différentes cellules. En sortie du multiplieur 7, le signal numérique complexe se compose d'échantillons numériques ck à la cadence Fc, dont l'expression est où k indexe les chips des codes d'étalement, et sZ(k) désigne la valeur complexe (1,Q) du signal sz au moment du chip k. On voit que la multiplicité (Z) des canaux logiques multiplexés fait notablement augmenter l'amplitude du signal ck. Le circuit 8 réalise la mise en forme du signal en bande de base en réalisant la convolution de la séquence ck par une impulsion P(t) qui, de façon connue, présente avantageusement la propriété d'être de type demi-Nyquist. A titre d'exemple, cette impulsion peut être en racine de cosinus surélevé, avec un coefficient de roll-off a = 0,22 dans le domaine fréquentiel. Le signal en bande de base S(t) qui en résulte a pour expression Ce signal en bande de base est échantillonné en sortie du circuit 8, à une fréquence Fe = 1ITe généralement supérieure à celle des chips (Te = Tel4 par exemple). Les échantillons correspondants sont notés S(n), n désignant l'index de l'échantillon. Un circuit 9 de limitation d'amplitude, décrit en détail ci-après, agit pour limiter le module des échantillons complexes S(n). Le signal en bande de base d'amplitude limitée S'(n) est converti en analogique et soumis à l'étage radio 10, qui effectue la modulation de la fréquence porteuse ainsi que les filtrages et contrôles requis. La modulation linéaire appliquée est une modulation de phase à quatre états (QPSK, quadrature phase shift keying ), les parties réelle et imaginaire du signal complexe en bande de base S'(n) modulant deux ondes en quadrature à la fréquence porteuse qui sont ensuite sommées. Le signal radio de sortie de l'étage 10 est amplifié par l'amplificateur de puissance 11 avant d'être émis par l'antenne 12 de la station de base. On désigne par M la dynamique maximum souhaitée du signal S(n), afin d'éviter la saturation de l'amplificateur de puissance 11. Le circuit 9 agit pour limiter sensiblement à M l'amplitude S'(n)l du signal S'(n). Les figures 2 et 3 montrent des exemples de procédures utilisables à cette fin par le circuit 9. Chacune de ces procédures est appliquée sur des blocs de signal représentant N échantillons à la cadence Fe (1 _ N au test 23. Quand IS(n)I > M lors du test 21, le circuit 9 soustrait du signal S(n) une impulsion proportionnelle à l'impulsion de mise en forme P(t). L'impulsion P(t) est échantillonnée à la fréquence Fe, normalisée et centrée. On note P(i) les échantillons correspondants, avec -L Dans la réalisation de la figure 2 (étapes 24 à 28), la soustraction ramène l'amplitude de l'échantillon S(n) à la limite fixée M. L'amplitude complexe A de l'impulsion à soustraire est calculée à l'étape 24: . La soustraction 26 est opérée dans la boucle suivante 25 28 (qui peut être exécutée en parallèle), avant de passer à l'étape d'incrémentation 22. L'étape 26 consiste à soustraire A.P(i) de l'échantillon S(n+i) pour chaque valeur de i telle que -L La variante de la figure 3 diminue la quantité de calculs requise par rapport à la procédure de la figure 2. On utilise une fenêtre temporelle de largeur 2W échantillons dans laquelle on recherche l'échantillon d'amplitude maximale lorsque le critère de limitation de l'étape 21 est vérifié. L'impulsion soustraite est alors centrée sur cet échantillon d'amplitude maximale. Quand @S(n) > M lors du test 21, la variable X, représentant le module maximum du signal sur la fenêtre, est initialisée à !S(n)J, et les index imax et j à 0 (étape 30). Si IS(n+j)I > X au test 31, l'index j est simplement incrémenté à l'étape 32 avant d'être comparé à la demi-largeur W à l'étape 33. Sinon, l' incrémentation 32 est précédée (34) par la mise à jour X = S(n+j)I et imax = j. A l'issue de la boucle 30-34 de recherche du maximum sur la fenêtre (j = W au test 33), l'amplitude complexe A de l'impulsion à soustraire est calculée à l'étape 35 : . La soustraction 36 est opérée dans la boucle suivante 35-38 (qui peut être exécutée en parallèle), avant de passer à l'étape 39 où l'index n est augmenté de la demi-largeur W. L'étape 36 consiste à soustraire A.P(i) de l'échantillon S(n+imax+i) pour chaque valeur de i telle que -L On note le caractère récursif des procédures représentées sur les figures 2 et 3, la soustraction effectuée en raison du dépassement d'un échantillon ayant des répercussions sur le signal traité en avant et en arrière de cet échantillon. La soustraction de l'impulsion P(t) centrée sur un échantillon S(n) peut, dans certains cas, faire qu'un échantillon S(n') avec n-L Le procédé proposé pour limiter l'amplitude du signal d'entrée de l'amplificateur de puissance permet, par rapport à un procédé classique par troncature et filtrage, de gagner de l'ordre de 1,5 dB sur la dynamique d'entrée de l'amplificateur de puissance pour une même probabilité de dépassement et des performances de transmission identiques. Dans ces conditions, on peut, pour une application donnée, utiliser un amplificateur nettement plus économique grâce à la réduction de la dynamique. En outre, le spectre du signal émis est identique à celui du signal initial, ce qui évite les problèmes d'interférences dans les bandes de fréquence adjacentes. Dans les procédures des figures 2 et 3, le signal de correction soustrait du signal numérique en bande de base S(n) consiste en une somme d'impulsions élémentaires proportionnelles à l'impulsion de mise en forme P(t), dont les amplitudes sont calculées après application d'un critère de limitation 21. II est à noter que, dans une variante requérant moins de calculs, le critère de limitation pourrait porter sur les parties réelle et imaginaire du signal en bande de base S(n) : ce critère pourrait être considéré comme vérifié chaque fois que soit la partie réelle soit la partie imaginaire de S(n) dépasse le seuil M. La moindre précision de cette dernière variante peut être au moins en partie compensée en baissant le seuil M. Dans la réalisation représentée sur la figure 4, le circuit 9 de limitation d'amplitude comporte une unité d'écrêtage 40 qui écrête le signal numérique échantillonné en bande de base S(n). Elle produit ainsi un signal écrêté S(n) par exemple égal à . . Ce signal écrêté S(n) est soustrait du signal S(n) par le soustracteur 41 qui délivre un signal d'erreur E(n). Un filtre numérique 42 calcule la convolution du signal d'erreur E(n) par l'impulsion de mise en forme P(t). Le signal de correction C(n) produit par le filtre 42 est soustrait du signal S(n) par le soustracteur 43. Comme dans les exemples précédents, le circuit 9 selon la figure 4 peut fonctionner de façon récursive, auquel cas la sortie du soustracteur 43 est soumise à un autre étage comportant des unités semblables aux unités 40 à 43, le signal corrigé S'(n) étant fourni après le nombre d'étages requis. REVENDICATIONS 1. Procédé d'émission d'un signal radio dans un système de communication à accès multiple à répartition par codes, dans lequel on forme un signal numérique en bande de base par sommation de contributions relatives à plusieurs canaux et convolution par une impulsion de mise en forme, on limite l'amplitude dudit signal numérique en bande de base, on module une fréquence porteuse avec le signal numérique en bande de base d'amplitude limitée, selon une modulation radio linéaire, et on traite le signal radio résultant de la modulation avant de l'émettre, le traitement incluant une amplification de puissance, caractérisé en ce que pour limiter ladite amplitude, on soustrait du signal numérique en bande de base un signal de correction mis en forme spectralement avec ladite impulsion de mise en forme. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le signal de correction comporte; pour au moins un échantillon du signal numérique en bande de base vérifiant un critère de limitation d'amplitude, une impulsion proportionnelle à l'impulsion de mise en forme et centrée sur ledit échantillon. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit critère de limitation d'amplitude est que le module de l'échantillon dépasse un seuil déterminé M. 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit critère de limitation d'amplitude est que la partie réelle ou la partie imaginaire de l'échantillon dépasse un seuil déterminé M. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel on examine successivement les échantillons du signal numérique en bande de base, et chaque fois qu'un échantillon vérifie le critère de limitation d'amplitude, on soustrait du signal numérique en bande de base une impulsion proportionnelle à l'impulsion de mise en forme et centrée sur ledit échantillon. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel ladite impulsion, que comporte le signal de correction pour un échantillon S(n) du signal numérique en bande de base, est proportionnelle à l'impulsion de mise en forme dans le rapport S(n).[1-MIIS(n)I], IS(n) désignant le module de l'échantillon S(n). 7. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel on détermine l'échantillon de plus grand module dans une fenêtre du signal numérique en bande de base incluant un échantillon vérifiant le critère de limitation d'amplitude, et le signal de correction comporte une impulsion centrée sur ledit échantillon S(n) de plus grand module iS(n)i et proportionnelle à l'impulsion de mise en forme dans le rapport S(n).[1-MI!S(n)i]. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le signal de correction est obtenu par convolution, par l'impulsion de mise en forme, d'une différence entre le signal numérique en bande de base et une version écrêtée du signal numérique en bande de base. 9. Emetteur radio à accès multiple à répartition par codes, comprenant des moyens (5-8) pour former un signal numérique en bande de base par sommation de contributions relatives à plusieurs canaux et convolution par une impulsion de mise en forme, des moyens (9) de limitation de l'amplitude dudit signal numérique en bande de base, des moyens (10) de modulation d'une fréquence porteuse avec le signal numérique en bande de base d'amplitude limitée, selon une modulation radio linéaire, et des moyens de traitement du signal radio résultant de la modulation, incluant un amplificateur de puissance (11), caractérisé en ce que les moyens de limitation sont agencés pour soustraire du signal numérique en bande de base un signal de correction mis en forme spectralement avec ladite impulsion de mise en forme. 10. Emetteur radio selon la revendication 9, dans lequel le signal de correction comporte, pour au moins un échantillon du signal numérique en bande de base vérifiant un critère de limitation d'amplitude, une impulsion proportionnelle à l'impulsion de mise en forme et centrée sur ledit échantillon. 11. Emetteur radio selon la revendication 9, dans lequel le signal de correction est obtenu par convolution, par l'impulsion de mise en forme, d'une différence entre le signal numérique en bande de base et une version écrêtée du signal numérique en bande de base.