Brevet FR2803970A1 — publié le 20010720

En téléphonie mobile, chaque opérateur de télécommunications dispose d'une bande de fréquences, ou bande spectrale, de largeur et de position déterminées. Cette bande spectrale constitue un canal de communication, à travers lequel les téléphones mobiles, clients de cet opérateur, peuvent communiquer. Pour émettre des informations binaires, un téléphone mobile transforme un signal c(t) en bande de base, à spectre sensiblement centré autour de la fréquence nulle, contenant les informations binaires à transmettre, en un signal modulé m(t). La modulation permet d'adapter les informations binaires à transmettre à la position et à la largeur de la bande spectrale allouée à l'opérateur téléphonique. En d'autres termes, par modulation, on élève la fréquence du signal à une fréquence porteuse, comprise dans la bande spectrale, et on limite la largeur de la bande spectrale du signal. Pour limiter la bande spectrale d'émission du signal, on échantillonne celui-ci, on fait passer des échantillons ak et bk, représentatifs du signal, respectivement à travers deux filtres et, en sortie des filtres, on obtient la composante en phase a(t) et la composante en quadrature b(t) du signal à transmettre. Par définition, on appelle "réponse fréquentielle" et "réponse temporelle" les fonctions de filtrage respectivement dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel. Le rôle d'un filtre étant de limiter la bande spectrale d'émission du signal, sa réponse fréquentielle s'étend sur une bande spectrale limitée et, par conséquent, par théorie, sa réponse temporelle s'étale sur un support temporel infini. Il en résulte que le filtrage introduit des interférences entre les échantillons du signal transmis. La norme IMT-2000 (International Mobile Télécommunication System for year 2000) de téléphonie mobile de troisième génération préconise d'utiliser un filtre en racine de Nyquist, et plus particulièrement un filtre RRC (Root-raised Cosine) en racine de cosinus surélevé, pour filtrer les échantillons représentatifs du signal. D'emblée on notera qu'un filtre en racine de Nyquist est un filtre dont la réponse fréquentielle est la racine carrée de la réponse fréquentielle d'un filtre de Nyquist. Lors de la transmission d'un signal, l'émetteur et le récepteur filtrent chacun des échantillons représentatifs du signal transmis, à l'aide d'un filtre en racine de Nyquist. Ainsi, le filtre global virtuel, comprenant le filtre d'émission et le filtre de réception mis en cascade, constitue un filtre de Nyquist. Les filtres de Nyquist présentent la particularité de limiter la bande spectrale d'émission du signal tout en garantissant un filtrage sans interférence aux instants théoriques d'échantillonnage. La réponse fréquentielle du filtre en cosinus surélevé présente globalement l'allure d'un créneau dont les pentes de retombée dépendent d'un facteur de retombée a, dit facteur de "roll-off', compris entre 0 et 1: plus ce facteur a est élevé, plus la pente de retombée du créneau s'adoucit, mais plus la largeur du palier se rétrécit et surtout plus la largeur de la bande spectrale occupée par le signal augmente. La réponse temporelle du filtre en cosinus surélevé présente un lobe principal d'amplitude maximale et, de part et d'autre de ce lobe principal, des lobes secondaires d'amplitude réduite, formant des oscillations qui s'amortissent en s'écartant du lobe principal. On a indiqué plus haut que les filtres de Nyquist ne produisent pas d'interférences entre les échantillons du signal aux instants théoriques d'échantillonnage. Cependant, en pratique, les erreurs de synchronisation sont quasiment inévitables lorsqu'on échantillonne. Il en résulte des décalages temporels intempestifs entre les instants réels d'échantillonnage et les instants théoriques d'échantillonnage. Dans ces circonstances, le filtrage de Nyquist introduit quand même des interférences entre les échantillons du signal. La présente invention propose de réduire les interférences entre échantillons du signal, produites par filtrage, même en cas de décalage temporel intempestif des instants d'échantillonnage. A cet effet, l'invention concerne un équipement d'émission radio, comportant des moyens d'échantillonnage d'un signal à émettre et des moyens de filtrage de Nyquist, avec un facteur de retombée, dont la réponse temporelle comporte un lobe principal d'amplitude maximale et des lobes secondaires d'amplitude réduite, les moyens de filtrage étant destinés à limiter la largeur de la bande spectrale de transmission du signal, équipement caractérisé par le fait que les moyens de filtrage sont agencés pour minimiser l'amplitude des lobes secondaires. L'invention concerne également un équipement de réception radio, comportant des moyens d'échantillonnage d'un signal à recevoir et des moyens de filtrage de Nyquist, avec un facteur de retombée, dont la réponse temporelle comporte un lobe principal d'amplitude maximale et des lobes secondaires d'amplitude réduite, les moyens de filtrage étant destinés à limiter la largeur de la bande spectrale de transmission du signal, équipement caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyens pour minimiser l'amplitude des lobes secondaires. En minimisant l'amplitude des lobes secondaires, on réduit fortement les interférences éventuelles entre les échantillons du signal. Avantageusement, le facteur de retombée est égal à sa valeur maximale. Les moyens de filtrage réduisent ainsi l'amplitude des lobes secondaires en utilisant un facteur de retombée de valeur maximale. Avantageusement encore, B et Tb représentant respectivement la largeur maximale de la bande spectrale de transmission radio du signal et le temps bit, le facteur de retombée a est sensiblement égal à (B*Tb - 1). De préférence, le facteur de retombée a est égal à 0,30. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de deux équipements d'émission et de réception radio, selon une forme de réalisation particulière de l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente un schéma bloc fonctionnel de l'un des équipements, selon la forme de réalisation particulière de l'invention, et - la figure 2 représente le schéma d'un filtre de l'équipement de la figure 1; - la figure 3 représente la réponse fréquentielle d'un filtre de Nyquist en cosinus surélevé et - la figure 4 représente la réponse temporelle du filtre de la figure 3. Dans l'exemple particulier de la description, les deux équipements d'émission et de réception radio sont respectivement un téléphone et une station de base d'un réseau téléphonique cellulaire. Le téléphone et la station de base sont agencés pour communiquer suivant un protocole de communication de téléphonie mobile de troisième génération, défini par la norme IMT-2000. Pour transmettre des informations binaires entre le téléphone cellulaire et la station de base, il convient de transformer un signal c(t) en bande de base (c'est-à-dire à spectre fréquentiel sensiblement centré autour de la fréquence nulle), contenant les informations binaires à transmettre, en un signal modulé m(t). En l'espèce, la modulation étant linéaire, le signal modulé m(t) peut s'écrire sous la forme suivante: m(t) =a(t)cos(2#ot+0a)-b(t)sin(2zfot+0o) (1) où "fo" et "@o" représentent respectivement la fréquence porteuse du signal et sa phase. Les grandeurs a(t) et b(t) sont les composantes en phase et en quadrature du signal à transmettre, obtenues par filtrage d'échantillons an et bn, représentatifs du signal, conformément aux équations de filtrage suivantes: La fonction "q(t)" est une fonction de filtrage. La grandeur Tb représente le temps "bit", c'est-à-dire la durée d'un bit, ou plus exactement ici le temps "chip" tel que défini par la norme CDMA explicitée dans l'ouvrage "CDMA : Principes of Spread Spectrum Communications" (Addison Wesley wireless communications). "ta" est le retard à l'origine de la fonction de filtrage. Par souci de clarté, seuls les éléments du téléphone cellulaire et de la station de base, nécessaires à la compréhension de l'invention, vont maintenant être décrits. Le téléphone cellulaire comprend un bloc d'échantillonnage d'émission 1 et deux filtres d'émission 2, 3. Le bloc d'échantillonnage 1 est destiné à échantillonner un signal c(t) à émettre, avec une fréquence d'échantillonnage ici égale à I /Tb, et à fournir des échantillons ak et bk, représentatifs du signal c(t), respectivement aux deux filtres 2, 3, à chaque instant d'échantillonnage tk, tk étant théoriquement égal à kTb. Le filtre 2 est destiné à calculer, à chaque instant d'échantillonnage tk, la composante a(t) du signal à émettre, conformément à l'équation (2), à l'aide d'un nombre N d'échantillons a", avec n variant de (k-N+ 1) à k. Le filtre 2 comprend un registre à décalage 21à N points mémoires, un calculateur 22, un nombre N de multiplicateurs 23 et un additionneur 24. Le registre à décalage 21 comprend N points mémoires en série, respectivement destinés à mémoriser N échantillons successifs a, avec n variant de k à (k-N+l), autrement dit les échantillons {ak, ak_1, ... , ak_N+,} représentés sur la figure 2, entre l'instant d'échantillonnage tk et l'instant d'échantillonnage suivant tk+l. En fonctionnement, le bloc d'échantillonnage 1 fournit l'échantillon ak au point d'entrée du registre 21, à l'instant d'échantillonnage tk, et, à l'instant d'échantillonnage suivant tk+,, il lui fournit l'échantillon suivant ak+l, en provoquant ainsi le décalage d'un rang dans le registre 21 des échantillons {ak, ak_l, ..., ak_N+z} et la sortie définitive du registre 21 de l'échantillon ak_N+l précédemment contenu dans le point mémoire de sortie du registre 21. Le calculateur 22 comprend N sorties respectivement reliées aux N multiplicateurs 23. En fonctionnement, pour chaque instant d'échantillonnage tk, le calculateur 22 calcule les N valeurs q(tk-nTb-to), n étant compris entre k à (k-N+ 1), pour les N échantillons a,,, contenus dans le registre 21. Chaque multiplicateur 23 comprend deux entrées et une sortie. Les N multiplicateurs sont respectivement reliés, en entrée, aux N points mémoires du registre 21 et aux N sorties du calculateur 22 et, en sortie, à l'additionneur 24. En fonctionnement, pour chaque instant d'échantillonnage tk, les N multiplicateurs 23 calculent les N produits [a"*q(tk-nTb-to)], avec n variant de k à (k-N+ 1), et les fournit en sortie à l'additionneur 24. L'additionneur 24 est destiné à calculer la composante a(t) du signal à transmettre, pour chaque instant d'échantillonnage tk, en additionnant les produits sortant des N multiplicateurs 23. Le filtre 3 est identique au filtre 2. Il est alimenté en échantillons bk par le bloc d'échantillonnage 1 et est destiné à calculer la composante b(t) du signal à transmettre, pour chaque instant d'échantillonnage tk. La nature des filtres 2, 3 va maintenant être explicitée plus précisément. D'emblée on notera que, par définition, la réponse temporelle d'un filtre désigne la fonction de filtrage q(t) et la réponse fréquentielle désigne la transformée de Fourier Q(u) de la fonction q(t), t et u représentant respectivement le temps et la fréquence. Les filtres 2, 3 sont des filtres en racine de cosinus surélevé, conformément à la norme IMT-2000. Il s'agit de filtres dont la réponse fréquentielle est la racine carrée de la réponse fréquentielle d'un filtre de Nyquist en cosinus surélevé. Par définition, un filtre de Nyquist est un filtre dont la réponse fréquentielle répond au critère de Nyquist suivant: Cette équation est valable pour toute valeur de v. Les filtres de Nyquist ont la propriété de limiter la bande spectrale de transmission radio du signal, tout en garantissant un filtrage sans interférence aux instants théoriques d'échantillonnage kTb. La réponse fréquentielle et la réponse temporelle du filtre en cosinus surélevé sont définies par les équations suivantes (S) et (6) et représentées sur les figures 3 et 4. où "a", appelé facteur de retombée, ou facteur de "roll-off', est une constante, comprise entre zéro et un. La réponse fréquentielle du filtre en cosinus surélevé a globalement l'allure d'un créneau, comportant un palier s'étendant sur une bande fréquentielle de largeur égale â (1-a)/Tb, et dont les deux pentes de retombée à zéro dépendent du facteur de retombée a. La largeur totale de la bande spectrale sur laquelle s'étend le créneau de filtrage, autrement dit la largeur de la bande occupée par le signal, est égale à (l+(x)/Tb. On notera que plus le facteur de retombée a est élevé, plus la pente de retombée s'adoucit, diminue, mais plus la largeur du palier diminue et surtout plus la largeur de la bande spectrale effective, utile, occupée par le signal, augmente. La réponse temporelle du filtre en cosinus surélevé comprend un lobe principal d'amplitude maximale et, de part et d'autre de ce lobe principal, des lobes secondaires, d'amplitude réduite formant des oscillations qui s'amortissent en s'écartant du lobe principal. La figure 3 et la figure 4 représentent respectivement les réponses fréquentielles 41, 42 et les réponses temporelles 51, 52 de deux filtres en cosinus surélevé, utilisant respectivement deux facteurs de retombée a, et a2 différents, avec a, Les filtres 2, 3 utilisent un facteur de retombée a de valeur maximale, compte tenu de la bande spectrale disponible B, et ont ainsi la propriété de minimiser les lobes secondaires de leur réponse temporelle. Grâce à cela, les interférences entre les échantillons (a", b") du signal, produites par filtrage en cas de décalages temporels intempestifs entre les instants réels d'échantillonnage et les instants théoriques d'échantillonnage, sont fortement réduites. La valeur maximale du facteur de retombée des filtres 2, 3 est telle que En d'autres termes, le facteur de retombée a est sensiblement égal à (B*Tb- 1). La grandeur "B" représente la largeur maximale de la bande spectrale de transmission radio, autrement dit la largeur de bande disponible, utilisable par le téléphone et la station de base pour communiquer, allouée à l'opérateur de télécommunications considéré. Comme indiqué plus haut, [(l+(X)/Tb] est la largeur de bande occupée par le signal. En vertu de la norme IMT-2000, la bande spectrale de transmission radio disponible B et la fréquence bit 1/Tb sont égales à S MHz et à 3,84 MHz, respectivement. Il ressort donc de l'équation (8) que la valeur maximale du facteur de retombée a est égale à 0,30. Le téléphone comprend également un bloc d'échantillonnage de réception et deux filtres de réception en racine de cosinus surélevé, structurellement et fonctionnellement identiques aux éléments 1-3 précédemment décrits. Ce bloc d'échantillonnage et ces deux filtres de réception sont destinés à échantillonner et à filtrer les signaux radio reçus, comme précédemment explicité. La station de base comprend également un bloc d'échantillonnage et deux filtres en racine de cosinus surélevé d'émission, ainsi qu'un bloc d'échantillonnage et deux filtres de réception en racine de cosinus surélevé, analogues aux éléments 1-3 précédemment décrits. Lorsque le téléphone cellulaire et la station de base communiquent l'un avec l'autre, les signaux transmis entre le téléphone cellulaire et la station de base sont échantillonnés et filtrés en émission et en réception. Les échantillons des signaux transmis sont filtrés, en émission, par un filtre d'émission en racine de Nyquist, et, en réception, par un filtre de réception en racine de Nyquist. Le filtre global, comportant le filtre d'émission et le filtre de réception mis en cascade, constitue un filtre de Nyquist. La fréquence d'échantillonnage utilisée dans l'exemple de la description qui vient d'être faire est égale à la fréquence bit l /Tb. En variante, la fréquence d'échantillonnage pourrait être égale à un multiple entier de la fréquence bit 1/Tb. Dans la description qui précède, le filtre comprend N multiplicateurs et un additionneur. En variante, il pourrait comprendre un "multiplicateur- accumulateur", destiné à effectuer N multiplications successives et à ajouter, ou à accumuler, le résultat de chaque nouvelle multiplication au résultat précédent intermédiaire, égal à la somme des multiplications précédentes. REVENDICATIONS 1 Equipement d'émission radio, comportant des moyens (1) d'échantillonnage d'un signal à émettre et des moyens de filtrage de Nyquist (2, 3), avec un facteur de retombée (a), dont la réponse temporelle comporte un lobe principal d'amplitude maximale et des lobes secondaires d'amplitude réduite, les moyens de filtrage (2) étant destinés à limiter la largeur de la bande spectrale de transmission du signal, équipement caractérisé par le fait que les moyens de filtrage (2) sont agencés pour minimiser l'amplitude des lobes secondaires. 2 Equipement de réception radio, comportant des moyens d'échantillonnage d'un signal à recevoir et des moyens de filtrage de Nyquist, avec un facteur de retombée, dont la réponse temporelle comporte un lobe principal d'amplitude maximale et des lobes secondaires d'amplitude réduite, les moyens de filtrage étant destinés à limiter la largeur de la bande spectrale de transmission du signal, équipement caractérisé par le fait qu'il est prévu des moyens pour minimiser l'amplitude des lobes secondaires. 3 Equipement selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le facteur de retombée (a) est égal à sa valeur maximale. 4 Equipement selon la revendication 3, dans lequel, B et Tb représentant respectivement la largeur maximale de la bande spectrale de transmission radio du signal et le temps bit, le facteur de retombée (a) est sensiblement égal à (B*Tb - 1)- 5 Equipement selon la revendication 4, dans lequel le facteur de retombée (a) est égal à 0,30.