Brevet FR2808951A1 — publié le 20011116

Le procédé décrit ci-dessous est dénommé P-QPSK (Poinçonnage du QPSK {punctured en anglais}). Ce procédé decrit est une technique de modulation-démodulation destiné au domaine des télécommunications qui utilisent une transmission en mode paquet, cas par exemple des transmissions basées sur un partage d'accès temporel (AMRT, TDMA en anglais pour Time Division Multiple Access ). Ce procédé a pour objet de faciliter la récupération de porteuse de paquets émis à l'aide d'une modulation à déplacement de phase, MDP4 (QPSK en anglais) à faible débit et reçu, à très faible rapport signal à bruit (C/N, carrier to noise ratio). Le gain obtenu se traduit par bande d'accrochage du démodulateur améliorée ainsi qu'un taux de perte de paquets réduit à faible , bien adapté aux techniques de codage comme le codage convolutionnel les turbo-codes, qui permettent de fonctionner à très faible lorsque le démodulateur n'en restreint pas le fonctionnement. Ce procédé a eté élaboré pour les applications de télécommunications d'accès par satellite, notamment pour les applications téléphoniques qui conduisent à l'émission de paquets courts en mode AMRT, ou pour l'accès Internet par satellite. II pourrait s'appliquer pour les mêmes raisons aux réseaux cellulaires terrestres (GSM, ... ). L'amélioration de la bande d'accrochage pour l'émission de terminaux d'accès vers les stations centrales des réseaux peut se traduire par un relâchement des performances de stabilité de fréquence émission de ces terminaux, et donc un impact significatif sur leur complexité et prix. Le présent texte a pour objet de décrire le procédé de modulation-démodulation et donne un exemple de processus de démodulation à traitement numérique mis en oeuvre. Les performances données par la suite résultent de simulations sur un modèle similaire à celui qui pourrait être utilisé dans une implantation sur un DSP (digital signal processor). Dans un accès AMRT utilisant des paquets courts (ex. 100 symboles), le préambule (mot unique + intervalle de garde) doit être petit sous peine de réduire l'efficacité de trame (20-30 symboles). II est nécessaire dans ces conditions d'utiliser les symboles véhiculant l'information pour assurer la récupération de porteuse. Cette opération est généralement faite en multipliant la porteuse reçue par 4 (avec une modulation MDP- 4, la phase des échantillons des symboles reçus est multipliée par 4) en vue de supprimer la modulation, ou par des opérations similaires de re-modulation. Le résultat obtenu après cette opération conduit à une forte dégradation du bruit de phase de la porteuse notamment lorsque le CIN de réception est faible ( Comparativement à modulation MDP-4, la même opération effectuée sur une modulation 2 phases (MDP-2) réduit considérablement le risque de fausse décision après l'opération de suppression de la modulation, qui se limite dans ce cas à une multiplication par 2 de phase des échantillons de la porteuse reçue. Compte tenu des remarques précédentes, le procédé consiste à remplacer dans un paquet émis, certains symboles transmis normalement en MDP-4, par des symboles en MDP-2, qui SEULS, parmi les symboles transportant des données, seront utilisés par le démodulateur pour l'acquisition porteuse du paquet reçu. Le terme poinçonnage est utilisé pour cette transformation de symboles MDP-4 en MDP-2 par analogie au poinçonnage utilisé dans les techniques de codage. Cette transformation de certains symboles MDP-4 en MDP-2 s'accompagne d'une réduction du nombre de bits transmis sur ces symboles, de 2 en (MDP-4) à 1 (MDP-2). Dans le cas où les bits transmis sont issus codage, la suppression simultanée d'un bit transmis pour les symboles transformés MDP-2 permet de conserver le même nombre de bits d'information utiles (avant codage) et revient à faire un poinçonnage additionnel sur le codage. A titre d'exemple, si l'on suppose que tous les q symboles, on effectue une transformation MDP-4 -> MDP-2, le nombre de bits transmis est réduit par le facteur (2q-1) I 2q Si le codage utilisé avait efficacité R, le poinçonnage simultané des bits codés et des symboles MDP-4 revient à transformer l'efficacité de codage en Rx2ql(2q-1) tout en maintenant le meme nombre de bits d'information (avant codage) transmis, donnant du point de occupation de bande ce que l'on aurait avec le codage initial d'efficacité R, en MDP-4. Cette augmentation l'efficacité de R à R x 2q l (2q-1) crée une dégradation du EbINo. On pourrait s'attendre à avoir la performance, en terme de EbINo, du codage R x 2q l (2q-1). En fait, la dégradation est partiellement compensée par le fait que les symboles MDP-2 ont une meilleure protection à même puissance crête que les symboles MDP-4. Dans un décodage calculant une métrique (exemple Viterbi), le poids des symboles MDP-2 est automatiquement pris en compte. La performance en Eb/No se situe donc entre celle d'un code d'efficacité R et celle d'un code d'efficacité x 2q I (2q-1). A titre d'exemple, avec q=2 et un codage convolutionnel R=112 l'opération de poinçonnage donne un codage apparent '/z x 4I3 = 2I3. Un codage 213 donne une dégradation de Eb/No de 0.8 dB par rapport au codage 1/2. Les résultats de simulation montrent que la technique de poinçonnage n'introduit une dégradation que 0.4 dB. Cette valeur se réduit en augmentant la valeur de q. De plus, le procédé présente un avantage pour les transmissions à faible débit, en réduisant l'effet du bruit de phase dans la récupération porteuse et la démodulation. A l'inverse, si l'on admet d'augmenter le nombre de symboles transmis, sans poinçonner les bits issus du codage, il en résulte une augmentation du nombre symboles à transmettre dans le rapport 2q I (2q-1), et une performance en terme de Eb/No améliorée par rapport au codage initial R, du fait que les symboles MDP-2 ont meilleure protection. La récupération porteuse dans le démodulateur est basée sur l'utilisation du préambule et des symboles MDP-2 créés dans le paquet, comme expliqué précédemment (figure 2). Pour effectuer la récupération porteuse après synchronisation du mot unique, les lignes suivantes décrivent un exemple de traitement numérique. Dans cet exemple, le paquet reçu est représenté par une suite d'échantillons complexes représentant les symboles, obtenus par échantillonnage de la porteuse reçue, à la fréquence symbole, sur 2 voies en quadrature: p Seuls les symboles MDP-2, parmi ceux véhiculant les bits d'information, sont utilisés. p la modulation du mot unique (connue) est supprimée p la phase des symboles BPSK conservés, est multipliée par 2 p les symboles BPSK sont sommés par groupe de k symboles pour constituer des vecteurs de rapport C/N suffisamment élevé pour que l'on puisse en extraire la phase. Cette phase des vecteurs résultants est ensuite divisée par 2 (figure 2) p Sur l'ensemble de ces vecteurs (incluant ceux obtenus en effectuant une sommation identique sur les mots uniques), on développe la phase de cette séquence de vecteurs (ramène les écarts de phase entre 2 vecteurs a tTr) et l'on calcule par régression sur la phase développée, la phase et la fréquence de la porteuse, qui permettent d'obtenir l'estimation recherchée. p Du fait de l'ambiguïté de phase tTr, et de la sommation des symboles, il est nécessaire d'effectuer les opérations précédentes pour un certain nombre d'hypothèses de fréquence telles que pour chaque hypothèse, l'erreur de fréquence à priori n'entraîne une rotation de phase trop importante des échantillons de symboles sommés. Pour chaque hypothèse de fréquence, après obtention de la phase et la fréquence comme décrite précédemment, on projette et somme sur cette référence symboles pour constituer un critère de sélection (maximum de vraisemblance, équivalent à la transformée de Fourrier de la séquence de symboles à fréquence estimée). Pour l'ensemble des hypothèses faites, la sélection obtenue sur le critère calculé conduisant à un maximum. Typiquement le pas maximum des hypothèses de fréquence dépend de la durée t séparant les k symboles BPSK sommés, se situe autour de 115t. Le procédé décrit précédemment peut être utilisé pour effectuer simultanément la détection du mot unique et la détection de l'instant d'échantillonnage, avec la récupération porteuse. En effet, si dispose d'une puissance de calcul suffisante pour effectuer cette opération en faisant glisser la séquence des symboles échantillonnés précédents au pas de période d'échantillonnage (supposant donc que l'on dispose de plusieurs échantillons par symbole, 8-16) de la porteuse reçue, le critère de vraisemblance précédent maximum lorsque le mot unique est synchronisé et lorsque l'instant d'échantillonnage est optimal pour le symbole. A titre d'exemple les performances obtenues par simulation de la démodulation sur un grand nombre de paquets échantillonnés sont données ci-dessous pour une modulation MDP-4, avec une erreur de fréquence à l'entrée du démodulateur de 5% du débit symbole (60 kbaud). La simulation n'inclue pas la quantification et le filtrage (peuvent amener une dégradation l'ordre de 1 dB), mais inclue le bruit de phase. Paquet de données 108 bits q 4 Préambule 24 symboles Codage (FEC) 1I2 (L=7) Eb/No 2.5 dB BER 1 10-3 5 10-3 Taux de perte de paquet 10-4 4 10-4 Le procédé est généralisable à toute modulation de phase ou QAM (quadrature amplitude modulation) obtenue en modulant en amplitude 2 voies en quadrature. Les symboles poinçonnés sont obtenus en appliquant la même modulation sur 2 voies, peuvent être multi-niveaux (QAM). Pour simplifier cette présentation, la répartition des symboles MDP-2 parmi les symboles MDP-4 a été supposée périodique. Ceci n'est pas une nécessité. suffit que symboles MDP-2 soient distribués en moyenne de façon uniforme mais avec une loi de distribution connue du démodulateur. Par ailleurs, la séparation entre le poinçonnage du codage émission et poinçonnage des symboles MDP-X du modulateur permet d'obtenir un très grand éventail de configurations de transmission et permet de contrôler le nombre de bits par hertz transmis, l'efficacité de codage, les performances de EblNo. D'une façon plus générale, la technique proposée consiste à partir d'une modulation à N états (amplitude et phase) et à remplacer certains symboles à N etats par des symboles issus d'une modulation à M états (M procédé décrit s'adresse à une réalisation de la démodulation par traitement numérique, dont la simulation permet d'en valider fidèlement les performances. Le procède permettant de n'utiliser que les symboles poinçonnés pour effectuer les opérations de récupération porteuse, réduit donc le nombre d'opérations à effectuer en traitement numérique. REVENDICATIONS 1) Procédé de modulation caractérisé en ce qu'il consiste à remplacer dans un paquet de symboles numériques propres à une modulation à déplacement de phase MDP-X (x= 8,...) ou QAM, certains symboles par des symboles numériques propres une modulation à déplacement de phase MDP-2 (d'ou le terme poinçonnage utilisé pour traduire le passage de 4 à 2 états de modulation) afin de simplifier et d'améliorer la récupération porteuse du démodulateur. 2) Procédé de démodulation d'informations transmises en mode paquet suivant le procédé de modulation de la revendication (1), caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer récupération porteuse en utilisant la séquence d'échantillons des symboles constituant le préambule du paquet et des symboles MDP-2 issus de procédé de modulation de la revendication (1) 3) Procédé de démodulation suivant la revendication (2) basé sur une approche traitement numérique, caractérisé par le processus suivant # effectuer une régression sur la phase développée des vecteurs obtenus en sommant périodiquement la séquence d'échantillons obtenue suivant le procédé de la revendication (2), après doublement de la phase des symboles échantillonnés complexes MDP-2, la phase et la fréquence ainsi obtenues servant à calculer un critère de maximum de vraisemblance, caractérisé en ce qu'il consiste à calculer la valeur de la transformée de Fourier de la séquence d'échantillons (phase des symboles MDP-2 étant multipliée par 2) pour la fréquence estimée obtenue après la regression. # Effectuer l'opération précédente pour un certain nombre d'hypothèses de fréquence pour lesquelles l'écart à priori entre la fréquence reçue et l'hypothèse, rend valide le calcul précédent de la phase développée. # Choisir l'hypothèse de fréquence qui conduit au plus grand critère calculé de maximum de vraisemblance et prendre comme estimation phase-fréquence valeurs de la phase développée obtenues par la régression, pour l'hypothèse retenue. 4) Applications du procédé de démodulation des revendications 2 et 3 au cas où le poinçonnage de symboles transmis est obtenu en dissociant le poinçonnage des états du modulateur de celui du poinçonnage des bits à transmettre issus du codeur émission. 5) Application du concept de poinçonnage de modulation la revendication (1) et de démodulation de la revendication (2) au cas plus général où la modulation à poinçonner est une modulation à N états phase et/ou d'amplitude pour obtenir après poinçonnage une modulation à M états (M