Brevet FR2808635A1 — publié le 20011109

i 2808635 Annulation de signaux perturbants dans un récepteur de modem xDSL La présente invention concerne d'une manière générale les interférences générées par des signaux, dits signaux perturbateurs, se propageant dans des lignes de transmission, dans un signal dit signal perturbé se propageant dans une ligne de transmission s'étendant au voisinage desdites lignes de transmission. Plus particulièrement, l'invention s'intéresse à de telles interférences lorsque le signal perturbé est en mode xDSL, typiquement ADSL (Asymetrical Digital Subscriber Line), transmis dans une ligne d'usager entre deux modems situés respectivement devant une installation terminale d'usager et un central, et lorsque la ligne d'usager côtoie, voire est accolée à, d'autres lignes d'usager transmettant des signaux perturbateurs en mode xDSL, par exemple en mode HDSL. En effet, les interférences émanant des signaux perturbateurs affectent la qualité du signal perturbé reçu dans chaque modem dans lequel le débit des signaux échangés avec le modem distant est adapté dynamiquement à la qualité du signal recu mesurée en permanence. Plus les signaux perturbants seront prépondérants dans le signal reçu perturbé, plus le débit sera diminué, et également plus la portée des signaux est réduite. Dans ces conditions, le débit maximum annoncé pour des communications xDSL par l'opérateur téléphonique de la ligne d'usager est rarement maintenu, ce qui est d'autant plus désavantageux pour la voie descendante dans la ligne d'usager qui doit assurer une transmission avec un débit élevé notamment pour des messages internet. 2 2808635 La présente invention vise à remédier aux inconvénients précédents dûs aux perturbations de signaux xDSL apportées dans un signal perturbé xDSL afin qu'un opérateur téléphonique puisse garantir une bonne qualité de transmission dans une ligne d'usager transmettant le signal xDSL et ainsi un débit élevé de celui-ci. A cette fin, un procédé pour annuler des signaux perturbants émanant de signaux perturbateurs, typiquement en un mode quelconque xDSL, compris dans une bande de fréquence prédéterminée, dans un signal perturbé à multiporteuse, typiquement en mode ADSL, est caractérisé en ce que, au cours d'une phase d'initialisation, des signaux perturbants sont recueillis sur des porteuses de sous-bandes de fréquence du signal perturbé comprises dans la bande de fréquence prédéterminée, les signaux perturbants étant recueillis ensemble sur chaque porteuse lorsqu'uniquement celle-ci ne supporte aucune donnée, des densités spectrales de puissance des signaux recueillis sont calculées, et un filtre numérique est estimé en fonction d'un gabarit de fréquence déduit des densités spectrales calculées, et au cours d'une phase de communication de données, le signal perturbé est filtré par ledit filtre pour y extraire des signaux perturbants qui sont soustraits au signal perturbé. Selon une réalisation préférée, les signaux perturbants sont recueillis après que le signal perturbé à multiporteuse ait subi une transformée de Fourier numérique dans une largeur de bande de fréquence recouvrant au moins la bande de fréquence des signaux perturbateurs, par exemple celle d'un 3 2808635 signal HDSL. Des densités spectrales de puissance dans des sous-bandes de porteuse comprises dans la bande de fréquence du signal perturbé à multiporteuse et n'appartenant pas à la bande de fréquence prédéterminée des signaux perturbateurs sont alors interpolées en fonction des densités spectrales calculées afin d'estimer le filtre en fonction des densités spectrales calculées et interpolées. L'invention concerne également un modem du type ADSL et particulièrement un récepteur de ce modem recevant depuis une ligne de transmission un signal à multiporteuse qui est perturbé par des signaux perturbants émanant de signaux perturbateurs en mode xDSL compris dans une bande de fréquence prédéterminée et se propageant dans des lignes de transmission voisines de ladite ligne de transmission. Le récepteur du modem est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour annuler les signaux perturbants dans le signal perturbé à multiporteuse reçu conformément au procédé ci-dessus selon l'invention. En accord avec la réalisation préférée, le moyen pour annuler est interconnecté entre un transformateur de Fourier du signal perturbé à multiporteuse reçu et un décodeur. De préférence, le moyen pour annuler comprend un moyen pour estimer un filtre numérique en fonction d'un gabarit de fréquence déduit de densités spectrales calculées pour des signaux perturbants recueillis sur des porteuses de sous-bandes de fréquence dans le signal perturbé reçu au moins comprises dans la bande de fréquence prédéterminée pendant une phase d'initialisation du modem, et un moyen pour soustraire des signaux perturbants extraits par ledit filtre au signal perturbé pendant une phase de communication de données du modem. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: - la figure 1 est un bloc-diagramme fonctionnel d'un modem ADSL-DMT incluant un dispositif d'annulation de signaux perturbateurs selon l'invention; - la figure 2 est un diagramme de densité spectrale de puissance (DSP) en fonction de la fréquence pour illustrer des bandes de fréquence selon les sens montant et descendant dans des voix d'émission et de réception du modem ADSL-DMT et la bande de fréquence d'un modem HDSL; - la figure 3 est une représentation modélisée de la diaphonie résolue par le dispositif d'annulation d'interférence selon l'invention, inclus dans le récepteur du modem ADSL-DMT; et - la figure 4 est un algorithme d'estimation de filtre de signaux perturbateurs pendant une phase d'initialisation de fonctionnement du modem, selon l'invention. En référence à la figure 1, un modem ADSL (Asymetric bitrate Digital Subscriber Line) avec modulation à multiporteuse discrète DMT (Discret MultiTone) comprend essentiellement un émetteur 1 entre une entrée de données recevant des données d'une installation terminale d'usager numérique ITU et la voie d'émission d'un annuleur d'écho 2, et un égaliseur auto-adaptatif 3 et un récepteur 4 entre 2808635 une voie de réception de l'annuleur d'écho 2 et une sortie de données vers l'installation terminale d'usager ITU. Le modem comprend également un convertisseur numérique-analogique (CNA) 5 et un convertisseur analogique-numérique (CAN) 6 respectivement entre d'une part la sortie de la voie d'émission et l'entrée de la voie de réception de l'annuleur d'écho 2 et d'autre part un coupleur 2 fils/4 fils 7, tel qu'un transformateur différentiel, relié à une ligne téléphonique d'usager LU constituée par une paire torsadée de fils conducteurs. Par exemple, l'installation terminale ITU comprend un micro-ordinateur ou un serveur d'un réseau local LAN, et est associée à au moins un poste téléphonique analogique classique PT relié à la ligne LU devant le coupleur 7. Dans la suite de la description, des valeurs numériques de grandeurs physiques sont indiquées seulement à titre d'exemple, indépendamment de toute limitation de la portée de la présente demande de brevet. Dans l'émetteur 1, un codeur 11 effectue notamment un codage du signal numérique transmis par l'installation d'usager ITU en fonction de la modulation à multiporteuse DMT qui met en oeuvre une modulation à multiplexage de fréquence orthogonal codée COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Ainsi dans la voie montante depuis l'installation ITU vers la ligne LU, un message à bas débit est divisé en des trames numériques modulant plusieurs porteuses en parallèle équiréparties dans une bande de fréquence "montante" BM en partie inférieure à la bande de fréquence totale réservée à la transmission ADSL et s'étendant jusqu'à Fmax = 1104 kHz. Typiquement, comme montré à la figure 2, N+1 = 256 sous-bandes de largeur Af = 4,3125 kHz sont équiréparties dans la bande réservée, et M=30 sousbandes sont comprises dans la bande de fréquence montante BM s'étendant de 8,52 à 32 Af = 138 kHz. Les fréquences inférieures à 2 Af = 8,62 kHz sont disponibles pour la transmission analogique de voix en bande de base pour le poste téléphonique PT. Chaque sous-bande supporte une modulation d'amplitude de deux porteuses en quadrature du type 2 QAM, avec b désignant le nombre de bits compris entre 2 et B=8 par symbole de modulation correspondant à une constellation de 4 à 256 symboles complexes. En pratique, le codeur 11 est dépendant d'une table de chargement de bit 12 qui adapte plus ou moins le débit du message à répartir sur les porteuses des sous-bandes par palier de 32 kbit/s par exemple, c'est-àdire qui adapte la rapidité de modulation définie par l'entier b, en fonction de l'analyse du rapport signal à bruit lors de la phase d'initialisation/négociation du modem, après échange de signaux de mesure entre ce modem et un modem ADSL- DMT distant au niveau du central de raccordement avec lequel il prépare une communication et en fonction du débit alloué à la liaison pour la communication depuis le modem dans un réseau à haut débit tel que le réseau internet. Plus le rapport signal à bruit est élevé, plus le nombre de points dans la constellation QAM par porteuse peut être élevé. En pratique, une porteuse supporte au plus 15 bits par période, ce qui impose un débit maximum du 15 x Af = 64,7 kbit/s par porteuse; typiquement le débit selon le sens montant est variable entre 16 et 640 kbit/s. Le codeur 11 fournit M trains numériques parallèles à un transformateur de Fourrier inverse à M points 13, avec M io parallèle-série 14. Puis le signal ainsi concaténé à la sortie du convertisseur 14 est mis en trame en lui ajoutant périodiquement un préfixe de verrouillage de trame pour chaque symbole multiporteuse OFDM dans un conditionneur de trame 15. Le signal tramé est transmis classiquement par l'émetteur 1 dans la ligne LU après traversée de la voie d'émission de l'annuleur d'écho 2 et conversion en signal analogique dans le convertisseur numériqueanalogique 5. Suivant le sens descendant de la ligne téléphonique d'usager LU vers l'installation terminale d'usager ITU, le signal analogique reçu comprend des symboles OFDM répartis chacun sur au plus les N = 255 sous-bandes de largeur Af = 4,3125 kHz, dans une bande de fréquence "descendante" BD entre 4,3125 kHz et 1104 kHz, confondue avec la bande réservée à la transmission ADSL, comme montré à la figure 2. Typiquement, le débit selon le sens descendant est inférieur au débit maximum théorique, 255 Af = 1,01 Mbit/s, soit inférieur à 8,2 Mbit/s. Le signal analogique - reçu à symboles OFDM est converti en un signal numérique reçu dans le convertisseur analogique-numérique 6 et est corrigé dans l'annuleur d'écho 2 pour minimiser principalement l'écho électrique dans la ligne LU. Puis le signal numérique reçu est appliqué au récepteur 4 à travers l'égaliseur auto-adaptatif 3 qui compense en permanence la distorsion d'amplitude dans le canal de transmission constitué par la ligne LU entre les deux modems ADSL en communication. Le récepteur 4 offre des blocs fonctionnels 41 à réciproques de ceux 11 à 15 dans l'émetteur 1. Le io récepteur 4 comprend en cascade, depuis la sortie de l'égaliseur 7, un déconditionneur de trame 45 qui retire les préfixes de trame dans le signal numérique reçu, un convertisseur sérieparallèle 44 qui produit des symboles OFDM à 2N composantes, un transformateur de Fourrier rapide (FFT) 43 qui réalise la démodulation multiporteuse en transformant chaque symbole OFDM en N = 255 symboles de modulation de porteuse, et un décodeur DMT 41. Selon la technique antérieure, les N sorties du transformateur 43 sont reliées directement aux N entrées du décodeur DMT 41 respectivement. Le décodeur 41 effectue principalement une démodulation de chacune des N porteuses suivant la modulation 2 QAM et donc selon le débit négocié avec le modem ADSL distant. Les caractéristiques de la démodulation correspondante sont mémorisées dans une mémoire de table de chargement 42 associée au décodeur 41. En sortie du décodeur sont récupérés N trains parallèles de b éléments binaires qui sont sérialisés pour les transmettre à l'installation terminale ITU. En pratique, les fonctionnalités de l'émetteur 1 et du récepteur 4 sont implémentées sous forme de logiciel dans une mémoire programmable EEPROM associée à un microprocesseur autour duquel le modem est structuré. Comme montré schématiquement à la figure 3, la ligne d'usager LU s'étend au voisinage de K lignes de transmission d'usager Ll à LK pour signaux xDSL, par exemple des signaux HDSL (High bitrate DSL) xl(t) à xK(t), ayant à leurs extrémités des modems HDSL. Une transmission duplex HDSL est symétrique avec un débit pouvant atteindre 2 Mbit/s, un codage en ligne 2B1Q faisant correspondre deux bits à un symbole quaternaire, et une répartition du flux de symbole sur une, deux ou trois lignes de transmission. Le spectre utile d'un signal HDSL est dans une bande de fréquence BH comprise entre 170 et 780 kHz environ, comme indiqué par des hachures dans la figure 2. La bande BH est recouverte par la bande de fréquence descendante BD du signal reçu par le récepteur 4 du modem ADSL, et par conséquent constitue la bande de fréquence commune aux signaux ADSL et HDSL, comprenant Q = 140 porteuses P1 à PQ de sous-bande, avec Q instant d'échantillonnage dans le convertisseur 6. Dans le récepteur 4 du modem ADSL, les interférences dues aux signaux de diaphonie Dj(t) à DK(t) dégradent la portée et le débit du signal xo(t) émis par le modem distant ADSL; la diaphonie est principalement composée de la paradiaphonie engendrée par les signaux perturbateurs HDSL xl à xK émis par des modems HDSL à des extrémités de lignes Ll à LK situées du même côté que le modem en cause ADSL. Selon l'invention, un dispositif numérique d'annulation de signaux perturbateurs 8 est interconnecté entre les sorties du transformateur de Fourier 43 et les entrées du décodeur DMT 41, comme montré à la figure 1. Le dispositif d'annulation 8 comprend un estimateur de diaphonie 81 ayant N entrées respectivement reliées aux N sorties du transformateur 43, et un circuit de soustraction 82 ayant N soustracteurs parallèles. Les N soustracteurs ont respectivement des entrées directes reliées aux N sorties du transformateur de Fourier 43, des entrées inverses reliées à N sorties de l'estimateur 81, et N sorties reliées aux entrées du décodeur DMT 41. L'estimateur 81 comprend un détecteur 83 pour détecter la contribution perturbante D1(t) à DK(t) des signaux perturbateurs HDSL xl(t) à xK(t) dans le signal perturbé Y(t) récupéré en sortie du transformateur de Fourier 43, et un synthétiseur de filtre 84 pour calculer la fonction de transfert d'un filtre numérique 85 à -partir d'un gabarit en fréquence estimé de la contribution perturbante. tl Selon le procédé montré à la figure 4, le calcul du filtre 85 s'effectue après l'étape de démarrage EO du modem ADSL, et au cours de la phase d'initialisation de fonctionnement du modem et de négociation avec l'autre modem ADSL distant, précédant une communication de données. L'algorithme de la figure 4 est répété avant toute autre nouvelle communication. Le calcul repose sur la considération que la contribution perturbante D1(t) à DK(t) des signaux perturbateurs est un processus aléatoire qui est de nature cyclostationnaire à cause de la transformation de Fourier que la contribution perturbante dans le signal Y(t) a subi dans le transformateur 43. Ceci permet de déduire la densité spectrale de puissance (DSP) de la contribution perturbante par transformée de Fourier discrète sur la fonction d'autocovariance de la contribution perturbante. Le récepteur 4 recueille successivement des signaux perturbateurs sur les Q porteuses P1 à PQ appartenant à la bande de fréquence BH commune au signal descendant ADSL et aux signaux perturbateurs HDSL. Pour cela à une étape El, le modem demande au modem distant que ce dernier lui envoie successivement Q signaux à multiporteuse dans la ligne LU selon le sens descendant. Toutes les Q porteuses dans chacun des signaux à multiporteuse successifs supportent des signaux de données d'apprentissage connus de l'estimateur 81, à l'exception de l'une respective Pq des porteuses de la bande commune qui ne supporte aucun signal de données, avec q variant de 1 à Q, pendant une durée prédéterminée DP de -plusieurs périodes d'échantillonnage. Ainsi après une durée QxDP, le détecteur 83 a filtré successivement Q signaux "perturbants" SP1 à SPQ représentant la contribution perturbante des signaux perturbateurs xl à XK respectivement dans les sous-bandes de porteuses P1 à PQ. A une étape suivante E2, le synthétiseur de filtre 84 calcule par transformée de Fourier discrète la densité spectrale de puissance DSP1 à DSPQ des Q signaux perturbants. Ceci revient à identifier le spectre des signaux perturbants recueillis, à travers un peigne des N porteuses ADSL. En fonction de ces dernières densités spectrales, N-Q autres densités spectrales de puissance pour les autres sous-bandes dans la bande de fréquence descendante BD sont interpolées à une étape E3. Puis finalement à une étape E4, le synthétiseur 84 estime un gabarit de filtre en fonction d'un lissage des N densités spectrales de puissance calculées et interpolées, et plus particulièrement évalue les coefficients de la fonction de transfert du filtre numérique 85. L'estimation peut être par exemple basée sur un algorithme de méthode des moindres carrés LMS en recherchant le maximum de vraisemblance entre des séquences aléatoires prémémorisées dans une table et le spectre des signaux perturbants recueillis. Pour chaque symbole, la table est parcourue afin de minimiser l'erreur quadratique entre un vecteur représentatif des signaux perturbants et un vecteur estimé lu dans la table. Selon une autre variante, l'estimation est basée sur une itération d'une fonction de coût de type Hubert. Puis après la phase d'initialisation et négociation, le filtre numérique 85 extrait en permanence des N sorties du transformateur 43 la dégradation "D1(t) à DK(t)" due aux signaux perturbateurs xl(t) à xK(t) dans le signal perturbé reçu afin que cette dégradation soit appliquée aux N entrées inverses du circuit de soustraction 82 pour être soustraite au signal perturbé Y(t) en sortie du transformateur 43. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus pour un signal perturbé ADSL et des signaux perturbateurs HDSL, elle est applicable à tout type de signal xDSL, qu'il soit perturbé ou perturbateur, et donc à toute la gamme des signaux xDSL tels que ADSL, IDSL (ISDN-like DSL) pour accès de base RNIS, HDSL, MDSL (Multitrate Symetric DSL), RADSL (Rate Adaptation DSL), UDSL (Universal DSL), SDSL (Single DSL), et VDSL. D'autre part, les transformateurs de Fourier 13 et 43 peuvent être relatifs à des transformations de Fourier discrètes inverse et directe DFT. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour annuler des signaux perturbants (D1 - DK) émanant de signaux perturbateurs compris dans une bande de fréquence prédéterminée (BH), dans un signal perturbé à multiporteuse (y), caractérisé en ce que, au cours d'une phase d'initialisation, des signaux perturbants sont recueillis (El) sur des porteuses (Pl - PQ) de sous-bandes de fréquence du signal perturbé comprises dans la bande de fréquence prédéterminée, les signaux perturbants étant recueillis ensemble sur chaque porteuse lorsqu'uniquement celle-ci ne supporte aucune donnée, des densités spectrales de puissance (DSP1 - DSPQ) des signaux recueillis sont calculées (E2), et un filtre numérique (85) est estimé (E4) en fonction d'un gabarit de fréquence déduit des densités spectrales calculées, et au cours d'une phase de communication de données, le signal perturbé (y) est filtré par ledit filtre pour y extraire des signaux perturbants qui sont soustraits au signal perturbé. 2 - Procédé conforme à la revendication 1, selon lequel les signaux perturbants sont recueillis après que le signal perturbé à multiporteuse ait subi une transformée de Fourier numérique (43) dans une largeur de bande de fréquence (BD) recouvrant au moins la bande de fréquence (BH) des signaux perturbateurs. 3 - Procédé conforme à la revendication 2, comprenant une interpolation (E3) de densités spectrales de puissance dans des sous-bandes de porteuse comprises dans la bande de fréquence (BD) du signal perturbé à multiporteuse et n'appartenant pas à la bande de fréquence prédéterminée (BH) des signaux perturbateurs, en fonction des densités spectrales calculées (DSP1 - DSPQ), afin d'estimer le filtre (85) en fonction des densités spectrales calculées et interpolées. 4 Récepteur (4) de modem recevant depuis une ligne de transmission (LU) un signal à multiporteuse (y) qui est perturbé par des signaux perturbants (D1 - DK) émanant de signaux perturbateurs (xl - XK) compris dans une bande de fréquence prédéterminée (BH) et se propageant dans des lignes de transmission (L1 - LK) voisines de ladite ligne de transmission (LU), caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (8) pour annuler les signaux perturbants (D1 - DK) dans le signal perturbé à multiporteuse reçu (y) conformément au procédé selon l'une des revendications 1 à 3. 5 - Récepteur conforme à la revendication 4, dans lequel le moyen pour annuler (8) est interconnecté entre un transformateur de Fourier (43) du signal perturbé à multiporteuse reçu et un décodeur (41). 6 - Récepteur conforme à la revendication 4 ou , dans lequel le moyen pour annuler (8) comprend un moyen (81) pour estimer un filtre numérique (85) en fonction d'un gabarit de fréquence déduit de densités spectrales (DSP1 - DSPQ) calculées pour des signaux perturbants recueillis sur des porteuses (P1 - PQ) de sous-bandes de fréquence du signal perturbé reçu au moins comprises dans -la bande de fréquence prédéterminée (BH) pendant une phase d'initialisation du modem, et un moyen (82) pour soustraire des signaux perturbants extraits par ledit filtre (85) au signal perturbé (Y) pendant une phase de communication de données du modem.