Brevet FR2797130A1 — publié le 20010202

Procédé de transmission de données avec un codage de type CDMA La présente invention a pour objet un procédé de transmission de données. Elle est plus particulièrement utilisable dans le domaine des courants porteurs où les canaux de transmission présentent des défauts de types particuliers. Elle est néanmoins utilisable dans tout autre domaine où des canaux de transmission présenteraient un même type de défaut. Le but de l'invention est d'une manière générale d'assurer une bonne transmission, et, dans le cas des courants porteurs, de profiter d'une infrastructure filaire existante pour transmettre des données. Dans l'invention la transmission de données est effectuée essentiellement avec un codage préalable des données. Ce codage est de type CDMA. Un codage des données de type CDMA, Coded Division Multiple Access - accès multiple à répartition par codage, est un codage dans lequel on code un symbole binaire (+1 ou -1) à transmettre par N chips (+1 ou -1) d'une séquence de codage. Le codage s'apparente ainsi à une multiplication. On s'arrange pour qu'un symbole ainsi codé N fois, on parle alors de N chips, soit émis pendant une durée attribuée à une durée d'émission d'un symbole de départ. Il en résulte une augmentation de la bande passante au prorata de la valeur du nombre N. Pour cette raison ces codages sont souvent appelés des codages avec étalement de spectre (N est le facteur d'étalement). Dans l'invention on utilisera ainsi de préférence des données à transmettre représentées par des signaux numériques. Si ce n'est pas le cas, on procédera préalablement à une numérisation, on effectuera la transmission selon le procédé de l'invention, et en réception on convertira les signaux numériques en signaux analogiques. Les défauts des réseaux à courants porteurs utilisables pour transmettre des données sont d'une part un affaiblissement de la transmission en fonction de la fréquence et d'autre part la présence de trous dans les bandes passantes de transmission. L'affaiblissement de transmission en fonction de la fréquence est dû à un effet de peau qui se produit dans les conducteurs et dont les effets néfastes sont de plus en plus importants avec la fréquence. En effet, la densité de courant sur un conducteur varie comme une exponentielle négative de la profondeur dans le conducteur mesurée depuis la périphérie du conducteur. Autrement dit, la densité de courant est forte en surface et est faible à l'intérieur du conducteur. En outre cette variation de la densité de courant évolue avec la fréquence. Plus la fréquence du signal est élevée, et plus la couche de peau utile à la surface d'un conducteur est fine (et moins le courant passe à l'intérieur du conducteur). II en résulte que pour une résistivité p donnée, la section utile de transmission se réduit, et par conséquent la résistance du conducteur augmente avec la fréquence. II en résulte un affaiblissement et un coefficient de transmission décroissant avec la fréquence. Par ailleurs un réseau à courants porteurs est en général un réseau d'alimentation électrique. Un tel réseau présente la particularité qu'entre un point et un autre du réseau de multi-trajets sont envisageables. Ainsi, pour qu'un signal se propage d'un point de départ A à un point d'arrivée B il est possible qu'il emprunte un plus court chemin, ou qu'il emprunte un trajet plus long, après des réflexions en un point C. Ces différents trajets présentent alors des phénomènes d'interférences destructrices pour certaines fréquences. Ainsi, dans un réseau basse tension, typiquement entre un transformateur placé dans une rue et un point de prélèvement électrique placé dans une quelconque des maisons de la rue, il existe beaucoup de petites distances, de l'ordre ou inférieures à 500 mètres, qui contribuent à donner au canal en courants porteurs une bande spectrale dont le coefficient de transmission est globalement décroissant avec la fréquence et qui possède par ailleurs par endroit des bandes de réjection : les composantes fréquentielles dans ces bandes ne sont pas du tout transmises. Sur un plan pratique un tel canal, dans les conditions indiquées ci-dessus n'a de signification qu'entre 10 KHz et 20 MHz, au-delà le coefficient de transmission est trop faible pour qu'un tel canal puisse servir à transmettre des données. Le codage de signaux de type CDMA est assez résistant aux défauts de ces canaux dont le spectre de transmission présente les défauts indiqués de trous de transmission. Eventuellement une pré-accentuation en fréquence peut permettre de résoudre le problème de l'atténuation en fréquence. II reste toutefois une difficulté importante liée à la nature descendante et montante des signaux transmis. D'une manière classique on attribuera un sens montant à des transmissions de données partant d'un poste utilisateur et destiné à un circuit central. Par exemple ce circuit central pourra être sur le plan pratique un maître de réseau relié au réseau Internet, les postes utilisateurs étant des terminaux de visualisation de session Internet. Les terminaux peuvent ainsi être à disposition de particuliers dans leur maison. Le sens montant est donc le sens par lequel un tel particulier émet une requête adressée au circuit central. Le sens descendant est le sens par lequel le circuit central transmet les données, en général avec un débit beaucoup plus important, au terminal qui a émis la requête. Autant le codage CDMA résiste bien aux problèmes spectraux envisagés ci-dessus autant il nécessite, à l'endroit de chaque récepteur, ceux des terminaux ou celui du circuit central, que les différents signaux qui lui proviennent soient reçus avec une énergie sensiblement égale. De ce point de vue le codage CDMA est relativement fragile si les signaux de différentes provenances sont reçues avec des énergies trop différentes. Dans les faits, le circuit central reçoit des différents terminaux des signaux avec une puissance comparable (au besoin il assigne aux différents terminaux une puissance d'émission pour que cette contrainte soit satisfaite, comme c'est en particulier le cas en téléphonie mobile dans le domaine du de l'UMTS). Cependant à l'endroit de chaque terminal, les émissions provenant d'un terminal voisin proche (par exemple situé à une distance inférieure à 50 mètres) sont reçus avec un niveau d'énergie très nettement supérieur aux émissions provenant du circuit central qui peut être éloigné (par exemple situé à 1 km). II en résulte qu'il faut découper la bande utile en bandes montantes et en bandes descendantes. Le problème présenté alors par les réseaux à courants porteurs ainsi que par d'autres canaux présentant les défauts indiqués, est qu'on ne peut pas connaître a priori les ressources utiles situées dans chacune des bandes de fréquence. En effet un réseau, notamment un réseau d'alimentation électrique présente différents noeuds qui sont soit en l'air (et qui présentent alors un coefficient de réflexion important), soit connectés à un appareil, auquel cas on peut considérer que le noeud débouche dans une impédance adaptée. II en résulte que l'architecture des trajets multiples évolue dans le temps et que par conséquent la répartition des bandes de réjection dans le spectre de transmission est aussi variable dans le temps. En conséquence pour réaliser le découplage voie montante-voie descendante, l'allocation des fréquences est contrariée, la bande globale supérieure étant plus dégradée que la bande globale inférieure. Dans l'invention, on résout ce problème en attribuant comme spectre utile au canal montant un ensemble de bandes de fréquences disjointes, entrelacées avec des bandes de fréquence elles aussi disjointes, attribuées au canal montant. On montrera qu'en agissant ainsi le canal montant est fréquentiellement séparé du canal descendant. En adoptant alors des liaisons en étoile entre le circuit central et les terminaux d'utilisateurs, même pour des communications entre terminaux utilisateurs, on s'assure que les signaux émis par un terminal ne vont pas perturber les signaux que cherche à recevoir un autre terminal. En effet, ils se situent dans un autre ensemble de bandes de fréquence. Dans ces conditions, le codage CDMA apporte naturellement ses effets. Pour le canal descendant, ou le canal montant, la présence d'un trou dans une bande de transmission ne perturbe pas de manière rédhibitoire la qualité de la transmission. L'invention a donc pour objet un procédé de transmission de données dans lequel - on code avec un codage de type CDMA des signaux numériques à émettre, et on obtient des chips, - on transmet sur un canal les chips obtenus, caractérisé en ce que - on transmet des données correspondant aux chips en filtrant un signal transmis avec un filtre à P bandes passantes séparées P étant plus grand que deux. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent - Figure 1 : une représentation schématique d'un dispositif utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de transmission de l'invention ; - Figure 2 : une représentation schématique d'un codage de symbole numérique du type CDMA ; - Figures 3a et 3b : des exemples préférés de réalisation d'un circuit de filtrage utile pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. La figure 1 montre un dispositif utile pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention. Dans celle-ci un circuit maître 1 cherche à transmettre des données à des circuits utilisateurs tels que 2 et 3. Comme indiqué ci-dessus, le canal de transmission utilisé pour cette transmission peut être un canal par courants porteurs 4 comportant notamment sur une distance de l'ordre de 1 km des câbles de type câbles de puissance électrique. A l'émission, un signal S est numérisé dans un convertisseur analogique numérique 5 s'il n'est pas déjà numérique. Le convertisseur 5 représente en fait ici, plus généralement, un circuit débitant des symboles numériques ayant subi préalablement des codages de compression, de redondance et/ou de canal, ce dernier codage pouvant avoir notamment pour effet de corriger des erreurs de transmission dues à l'effet de peau. Le signal délivré par le convertisseur 5 subit dans un codeur 6 un codage de type CDMA. Un tel codage est représenté schématiquement sur la figure 2. Sur la partie supérieure de cette figure une séquence de symboles 1 1 1 -1 1 1 -1 -1 est remplacée par une suite de chip, bas de la figure 2. Le remplacement s'effectue en multipliant chaque symbole délivré par le circuit 5 par une suite de coefficients délivrés par une table 7 reliée au codeur 6. Par exemple la table 7 comporte des suites de trois coefficients +1 -1 -1, ou autres. Pour remplacer les symboles par les chips on multiplie chaque symbole, tour à tour, par chacun des coefficients d'une suite des coefficients de la table. Dans la pratique on utilisera des tables de plus de trois coefficients, par exemple sept coefficients. Ces codages par N coefficients permettent de produire 2" mots de codage différents (128 mots si N=7). Ces 2" mots de codage différents permettent d'envoyer simultanément 2" messages, et donc de pouvoir communiquer simultanément avec 2" terminaux tels que 2 et 3. On a représenté ici un circuit de couplage 8 de la sortie du codeur 6 au canal de transmission 4. Dans l'exemple représenté où le canal 4 est un canal à courants porteurs le circuit de couplage 8 peut n'être qu'un simple transformateur. Néanmoins d'autres circuits de couplage sont envisageables, comportant notamment des antennes si le canal est radioélectrique. En outre, dans le cadre de la transmission par courants porteurs, où la bande utile est limitée à 20 MHz, la transmission se fera en bandes de base, sans modulation d'une porteuse. II serait toutefois envisageable dans d'autres applications de disposer en aval du codeur 6 un circuit de modulation pour transposer la fréquence d'émission. En réception les terminaux tels que 2 et 3 comportent des coupleurs respectivement 9 et 10, correspondant au coupleur 8, et des circuits de décodage respectivement 11 et 12 pour extraire des chips transmis des symboles tels qu'ils étaient disponibles â la sortie du circuit 5. Eventuellement des circuits de conversion numérique analogique 13 et 14 viennent compléter la transmission. L'invention est principalement caractérisée par l'interposition de filtres tels que 15 entre le codeur et le coupleur 8. Ces filtres 15 ont la particularité de présenter une bande spectrale composée de bandes passantes telles que 16 à 19, séparées permettant de réaliser en pratique une partition d'une bande globale 20. Dans l'application envisagée la bande globale 20 a une largeur d'environ 20 MHz. Sur le plan pratique, le nombre P de bandes telles que 16 à 19 sera de préférence un multiple de 2 par exemple le nombre de bandes serait égale à 2K avec K un nombre entier plus grand que 1, de préférence K plus grand ou égal à 5 (25=32), ce qui assure d'avoir au moins seize bandes pour une voie, la voie descendante représentée jusqu'ici, et seize autres bandes pour la voie montante. Pour l'instant, on admettra qu'entre les coupleur 9 et décodeur 11, ou coupleur 10 et décodeur 12, se trouvent des filtres identiques au filtre 15, avec les mêmes caractéristiques spectrales. Dans le filtre 15, de préférence les bandes 16 à 19 occupent chacune une même largeur spectrale, et sont séparées les unes des autres par une distance spectrale de préférence égale à leur largeur. On trouve des éléments correspondants dans une voie montante, pour la transmission de signaux U et V des terminaux 2 et 3 vers le circuit central 1. En pratique des filtres 21 interposés entre des codeurs de type CDMA respectivement 22 et 23 et des circuits de couplage 9 et 10, ont un spectre identique à celui d'un filtre 21 interposé entre le coupleur 8 et un décodeur CDMA 24 du circuit central 1. Le spectre du filtre 21 est complémentaire du spectre du filtre 15. Ceci est schématiquement représenté sur la figure 1 où le filtre 21, en réception, possède des bandes passantes séparées 25 à 28. On remarque que les bandes 25 à 28 sont en nombre égal aux bandes 16 à 19 (bien que cela ne soit pas tout à fait obligatoire) mais sont surtout entrelacées avec ces bandes 16 à 19. Autrement dit les chips sont filtrées dans le sens descendant avec un filtre dont les bandes passantes 16 à 19 sont entrelacées avec les bandes passantes d'un filtre utilisé dans le sens descendant. En agissant ainsi on assure que les signaux émis par le terminal 3 à destination du circuit central 1 ne sont pas reçus dans la voie de réception du terminal 2 parce que le filtre 15 de ce terminal 2 les élimine. On assure de cette façon l'indépendance des voies montantes et descendantes. L'orthogonalité de type CDMA permet par ailleurs de relier un nombre important de terminaux tels que 2 et 3 (par exemple 128) tout en supportant par ailleurs la présence de trous de transmission à certaines fréquences. Ces trous de transmission sont par exemple liés au fait que pour aller du circuit central 1 au terminal 2 les signaux peuvent se réfléchir sur les multiples terminaisons telles que 29 et 30 de ce réseau dont la répartition évolue dans le temps d'une manière imprévisible. Les figures 3a et 3b montrent, d'une manière simplifiée, une manière de réaliser les filtres tels que 15 et 21. Pour réaliser ces filtres on retiendra une décomposition hiérarchique des signaux numériques dans laquelle on décompose itérativement un signal de M échantillons en L signaux de MIL échantillons. D'une manière préférée la décomposition sera dyadique (alors qu'elle pourrait être triadique ou autre) et dans ce cas L vaudra 2. Les figures 3a et 3b montrent une décomposition dyadique. Une telle décomposition est notamment décrite dans l'article "A theory for multiresolution signal decomposition : the wavelet representation", revue IEEE Transaction on pattern analysis and machine intelligence, Vol. 11, pages 674-693, juillet 1989, dû à Stéphane MALLAT. Dans une étape d'une telle décomposition, dans un circuit de traitement 31 on décompose le signal numérique transmis en une composante basse fréquence et une composante haute fréquence. En pratique le traitement est logiciel, mais l'explication sous forme de circuits ou de fonctions est plus propice à la compréhension. Le circuit 31 est un circuit de type Mallat. Sa fonction est équivalente à faire passer le signal d'une part dans un filtre 32 à réponse impulsionnelle finie basse fréquence, de fonction de transfert g, et d'autre part dans un filtre 3 à réponse impulsionnelle finie haute fréquence, de fonction de transfert h. Pour simplifier les idées, la fréquence de coupure commune aux filtres 32 et 33 du circuit 31 sera une fréquence 34 située au milieu de la bande globale 20. Dans un exemple préféré les filtres 32 et 33 sont des filtres numériques avec Q coefficients, c'est-à-dire capable d'une mémorisation de Q chips (à une première itération). Le nombre Q de coefficients est pris de préférence égal à 10, c'est suffisant. Selon la théorie présentée dans l'article ci-dessus, la quantité d'information du signal admis à l'entrée des filtres 32 et 33 n'est pas dégradée si on échantillonne le signal produit par chacun de ces filtres 32 et 33 avec un rythme moitié moins important que celui du signal admis en entrée du circuit Mallat 31. Dans ce but, on sous-échantillonne par un circuit de sous-échantillonnage respectivement 35 et 36 les signaux délivrés par les filtres 32 ou 33. Alternativement, on peut ne faire travailler les filtres 32 et 33, numériques, qu'une fois sur deux, c'est-à-dire au niveau élémentaire une fois qu'ils ont reçu deux chips successifs. Sur le plan pratique, ici on a montré que les échantillons étaient tous traités mais qu'on n'en retenait que un sur deux. Si la décomposition est triadique, au lieu d'avoir un filtre basse fréquence 32 et un filtre haute fréquence 33, on aura ces deux filtres situés de part et d'autre d'un filtre intermédiaire. Dans ce cas la fréquence 34 sera remplacée par deux fréquences tendant à diviser la bande globale 20 en trois parties égales. Ainsi de suite on peut généraliser l'explication. Le circuit 31 délivre ainsi des composantes basse fréquence sur une sortie 37 et des composantes haute fréquence sur une sortie 38. Ces composantes basse fréquence et haute fréquence subissent chacune dans des circuits 41 et 42, eux aussi du type Mallat, mais pour une itération ultérieure, des transformations dans des circuits identifiés Mallat mettant en oeuvre une décomposition identique à la décomposition du circuit 31. Néanmoins d'une itération 39, décrite, à une itération 40 suivante, les fréquences de coupure des circuits Mallat 41 et 42, respectivement basse fréquence et haute fréquence, seront les fréquences 43 et 44 (figure 1) situées à chaque fois à la moitié des demi-bandes globales séparées par la fréquence de coupure 34. Ainsi de suite les itérations ultérieures, par exemple l'itération 45, permettent d'effectuer un traitement identique. On a montré ici trois itérations conduisant en sortie à disposer de quatre circuits Mallat, donc de huit fréquences. S'agissant d'une décomposition en 2K, avec K de préférence plus grand ou égal à 5, le nombre d'itérations sera égal à K. L'exemple est seulement montré ici d'une manière simplifiée avec trois itérations. La figure 3a montre que le filtre 15 comporte ainsi un filtre 46* conjugué d'un filtre 46 décrit ci-dessus. Le filtre 46* comporte en fait des circuits Mallat inverses tels que 47, munis chacun d'une voie basse fréquence 48 et haute fréquence 49. Chaque voie comporte un circuit 50 de su réchantillonnage. Dans un cas particulier préféré, le circuit 50 ajoute un zéro entre chaque échantillon provenant d'un circuit Mallat inverse antérieur. Chaque circuit 50 est suivi d'un filtre conjugué, respectivement basse fréquence 51 ou haute fréquence 52, des filtres 32 et 33. Les sorties des deux filtres 51 et 52 sont reliées à un additionneur logique. Cet additionneur logique peut éventuellement être tabulé. II additionne sur R+1 bits les signaux quantifiés sur R bits provenant des sorties des circuits 51 ou 52 pour reconstituer une suite de M échantillons. En pratique les traitements numériques ci-dessus sont mis en oeuvre par un processeur. On notera que le filtre 31 doit produire deux fois MI2 échantillons alors que les filtres 41 et 42 doivent produire, ensemble, quatre fois Ml4 échantillons. En définitive le travail effectué par le processeur, pour chaque étape ou chaque itération, est identique. Dans un circuit 15, avec des filtres tels que 32 et 33 à M coefficients ceci revient à effectuer 2 x M x K opérations élémentaires à chaque fois. Un tel traitement est tout à fait à la portée d'un processeur de traitement numérique à bas coût. Dans l'invention, les filtres 46 et 46* présentent la particularité que les circuits de niveau itératif les plus élevés, à l'étape 45 ou à une étape 53, ne possèdent pas de facultés de traitement pour une des voies, par exemple ici la voie haute fréquence. Dans le sens descendant, on s'arrange ainsi pour que le signal transmis n'utilise que les bandes 16 à 19. A la sortie du filtre 46*, le signal est appliqué au coupleur 8 en vue de sa transmission sur le canal 4. En réception, dans la voie descendante, le signal reçu prélevé par le coupleur 9 subit un traitement similaire, avec un filtre 15 identique. Le bas de la figure 3a montre d'une manière tout à fait comparable, dans le sens montant la réalisation du filtre 21 sous la forme de deux filtres 54 et 54* conjugués. Dans ce cas, aux itérations centrales seules les voies haute fréquence des circuits Mallat sont alors utilisées. La figure 3b montre une particularité de mise en oeuvre de la figure 3a permettant une dissymétrie de transmission entre la voie montante et la voie descendante. Comme cela a été rappelé ci-dessus, le circuit central 1, qui peut par exemple être relié à Internet et recevoir le signal S en provenance du réseau Internet, aura beaucoup plus d'informations à transmettre au terminaux 2 et 3 que ceux-ci n'en auront à transmettre au circuit 1 pour exprimer une requête. Dans ces conditions, on prévoira que la voie descendante comporte des filtres 15 munis chacun de deux filtres 55 et 55* conjugués l'un de l'autre dont l'utilisation de bande passante sera plus importante. Cette utilisation plus importante est plus favorable au sens descendant, haut de la figure, qu'au sens montant, bas de la figure. On a ainsi montré qu'un circuit Mallat 56 de niveau supérieur possédait deux sorties 57 et 58 toutes deux couplées à un circuit complémentaire 59 pour transmettre les deux composantes de la décomposition de Mallat. Par contre un circuit 60 et un autre circuit 61 ne permettront la transmission, dans le sens descendant, que d'une seule composante, basse fréquence ici. La voie montante montrée sur le bas de la figure 3b comporte en correspondance des circuits 60 et 61 deux circuits Mallat 62 et 63 ne transmettant chacun qu'une composante, haute fréquence ici. En agissant ainsi, sachant qu'on a 2K bandes passantes possibles, il est envisageable de réaliser une dissymétrie du débit de transmission du type a12 K où a vaut de 1 à 2 K-1. REVENDICATIONS 1 - Procédé de transmission de données dans lequel - on code avec un codage de type CDMA des signaux numériques à émettre, et on obtient des chips, - on transmet sur un canal les chips obtenues, caractérisé en ce que - on transmet des données correspondant aux chips en filtrant un signal transmis avec un filtre à P bandes passantes séparées P étant plus grand que deux. 2 - Procédé selon a revendication 1, caractérisé en ce que P égale 2K, K étant un nombre entier plus grand que 1. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que - on transmet sur un même canal des données dans un sens montant et dans un sens descendant, et - on filtre les chips dans le sens montant avec un filtre à bandes passantes entrelacées avec des bandes passantes d'un filtre utilisé dans le sens descendant. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que - pour filtrer les chips avec un filtre à N bandes passantes séparées, - on retient une décomposition hiérarchique des signaux numériques dans laquelle, - on décompose itérativement un signal de M échantillons en L signaux de MIL échantillons. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que - la décomposition est dyadique et en ce que L vaut 2. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que - la décomposition est réalisée selon l'algorithme de Mallat. 7 - Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que - à chaque itération, on filtre les signaux numériques avec un filtre à réponse impulsionnelle finie, avec N coefficients. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que N vaut 10. 9 - Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que - la décomposition dans une dernière itération est partielle. 10 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que - la décomposition est dissymétrique en fonction du sens de transmission. 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que - en réception on met en ceuvre des traitements complémentaires des traitements d'émission. 12 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que - on transmet les chips sur un canal à courants porteurs.