Brevet FR2854290A1 — publié le 20041029

L'invention concerne un procédé de démodulation de signaux de 5 type OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) en présence de signaux brouilleurs co-canaux forts, c'est à dire pour un rapport C/l (rapport signal à interférent) allant jusqu'à -20 dB. Elle s'applique notamment à la Télévision Numérique de Terre (TNT ou DVB-T (Digital Video Broadcasting terrestrial, décrit dans la norme 10 ETSI EN 300 744, norme de télévision européenne). De manière plus générale, elle peut être utilisée dans tout système de transmission utilisant une modulation o les sous-porteuses sont orthogonales, par exemple une modulation OFDM. Plusieurs pays européens planifient actuellement le déploiement de leurs réseaux DVB-T (Digital Video Broadcasting-Terrestrial) pour un avenir proche. Certains pays l'ont même d'ores et déjà déployé et en ont débuté l'exploitation commerciale. Une densification prévisible de ces réseaux dans les années à venir risque d'entraîner des problèmes 20 d'interférences qui perturberont la réception DVB-T. C'est pourquoi, il s'avère nécessaire pour les diffuseurs de posséder un outil efficace permettant de détecter et d'identifier tous les émetteurs DVB-T dont les signaux sont présents à un point de mesure et à une fréquence donnée. Les brevets FR 2 715 488 et FR 2 766 320 décrivent un outil 25 d'analyse et d'identification d'interférences co-canal dans les communications de type GSM. Les procédés enseignés permettent de démoduler un signal GSM en présence de signaux brouilleurs co-canaux forts. Les traitements mis en oeuvre dans cet outil font appel à des techniques de traitement d'antennes permettant de réaliser des filtrages spatiaux. Certains récepteurs DVB-T utilisent également des traitements d'antennes qui permettent de profiter de la diversité spatiale, afin d'améliorer 5 les performances en réception mobile et afin de combattre les effets du fading. Ces récepteurs sont généralement basés sur les techniques de "Sélection Combining" (SC) ou de "Maximum Ratio Combining" (MRC). Enfin, il est par ailleurs bien connu des gens du domaine que des filtres spatiaux ou spatio-temporels permettent la réfection de brouilleurs co10 canaux. Par exemple: - le filtre spatial adapté à une séquence de référence incluse dans le signal transmis est g[n] = RI [nlrxa [n], - le filtre spatial obtenu par minimisation de l'erreur quadratique (MMSE en anglais, i.e Minimum Mean Square Error) est g[f]=R_[f1H[f], - le filtre adapté spatio-temporel (FAST ou STMF en anglais, i.e SpaceTime Matched Filter) est g[f]=R-'[f1H[f], o n est l'indice du symbole OFDM (dimension temporelle), Rxx[n] correspond à la matrice de corrélation du signal à filtrer spatialement, H[f] le vecteur représentatif du canal de propagation et R,,[f] correspond à la 20 matrice de corrélation de la contribution du bruit de réception et des interférences dans le signal reçu (c'est-à-dire à la contribution de tout ce qui n'est pas le signal utile). Si de telles techniques s'avèrent efficaces, elles présentent toutefois certaines limites. La technique développée dans les brevets précités vise les signaux de type GSM. Elle n'offre pas les mêmes performances lorsqu'elle est appliquée à un signal de télévision numérique dont les caractéristiques sont très différentes de celles du signal GSM (Signal DVB-T: largeur de bande de 6 MHz à 8 MHz et modulation OFDM; Signal GSM: largeur de bande de 300 kHz et modulation GMSK). Les traitements d'antennes utilisés dans certains récepteurs DVBT sont adaptés pour combattre les effets du fading afin d'améliorer les 5 performances en réception mobile. Ces traitements ne sont plus efficaces en présence de brouilleurs co-canaux forts. L'idée de l'invention est notamment de pouvoir démoduler un signal DVB-T en présence de signaux brouilleurs co-canaux forts en utilisant un récepteur multi-capteurs et des techniques de traitement d'antennes adéquats. L'invention concerne un procédé de démodulation d'un signal dans un système de transmission o la modulation comporte plusieurs sousporteuses sensiblement orthogonales, le vecteur du canal de propagation H[n,k] étant connu, ou le signal reçu comportant au moins des symboles pilotes transmettant des données de référence. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape d'estimation du symbole a[n,k] émis sur la kime sous-porteuse du nième symbole de la modulation à l'aide d'une recombinaison pondérant les différents signaux reçus x[n,k] après 20 synchronisation et démodulation. L'étape de recombinaison utilise par exemple un vecteur de recombinaison défini par la relation g[n] = Rxl[n].rXd [n] (3) et l'estimation de la matrice de corrélation et du vecteur d'intercorrélation est effectuée en utilisant les formules suivantes: L2 H[1k 4 iâ,xx[n]= E [ yx[n+1,k]x [n+/, k] (4) rxa[n] = i Yx[n+l,kja [k] (5) 1=L y kE KI o: - l'indice I consiste à utiliser les symboles de la modulation avant et après le symbole considéré afin d'améliorer l'estimation de la matrice de corrélation, - Ki est l'ensemble des indices des pilotes continus et/ou des pilotes dispersés. Il peut comporter une étape de découpage de la bande globale du signal en sous-bandes et la détermination du vecteur de recombinaison pour chaque sous-bande avec Ki représentant les indices des pilotes continus et/ou dispersés dans la sous-bande considérée. Le procédé comporte par exemple une étape d'estimation du vecteur du canal de propagation HIn,k] et le vecteur de recombinaison est donné par la formule suivante g[n,k]= Ri [n,klH[n,k]. La matrice de corrélation estimée est par exemple la matrice de corrélation du bruit blanc gaussien et des signaux d'interférences R,,[n, k]. Le procédé selon l'invention est par exemple utilisé pour un signal modulé OFDM ou un signal DVB-T. Le procédé selon l'invention permet avantageusement, dans l'exemple d'application à un signal DVB-T: * de démoduler un signal DVB-T en présence de signaux brouilleurs cocanaux forts, et des pilotes inclus dans le signal DVB-T, * d'identifier les signaux DVB-T présents à un point de mesure et à une fréquence donnée en extrayant le champ Cellid des bits TPS, * d'analyser et d'identifier des brouilleurs en DVB-T, donc d'offrir un outil 25 efficace permettant de détecter et d'identifier les émetteurs DVB-T dont les signaux sont présents à un point de mesure et à une fréquence donnée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple détaillé donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent: * La figure 1 un diagramme des étapes mises en couvre dans un récepteur s multi-capteurs, * La figure 2 un exemple d'application du procédé selon l'invention. Afin de mieux faire comprendre le procédé selon l'invention, l'exemple qui suit est donné à titre illustratif et nullement limitatif pour la io démodulation de pilotes TPS d'un signal DVB-T et pour l'extraction du champ Cell-id contenu dans ces pilotes. De cette façon, le procédé détecte et identifie tous les émetteurs DVB-T dont les signaux sont présents à un point de mesure et à une fréquence donnée. L'invention s'applique aussi à tout signal OFDM dès lors que sont inclus des pilotes connus et/ou que le canal de propagation peut être estimé. Avant de détailler les étapes du procédé selon l'invention quelques caractéristiques sur le signal DVB-T détaillé dans la norme ETSI EN 300 744 sont rappelées. Un signal DVB-T est un signal OFDM. Le nombre de porteuses composant ce signal peut être de 6817 (mode 8K, obtenu à l'aide d'une FFT sur 8192 points) ou de 1705 (mode 2K, obtenu à l'aide d'une FFT sur 2048 points). Les diverses sous-porteuses servent à transporter des données 25 ou sont utilisées comme pilotes. Les types de pilotes sont au nombre de 3: * Les pilotes continus et les pilotes dispersés qui transmettent des données de référence. Ces données de référence ainsi que la position de ces pilotes, sont connues du récepteur. Ces pilotes servent au récepteur à se 30 synchroniser et à estimer le canal. Les pilotes de signalisation appelés pilotes TPS. Durant un symbole OFDM donné, tous les pilotes TPS transmettent le même bit logique codé différentiellement. Les données de signalisation sont organisées par blocs de 68 bits comprenant notamment un champ, appelé Cellid, permettant d'identifier la cellule d'origine du signal. La figure 1 schématise un exemple d'étapes du procédé selon l'invention, exécutées au sein d'un récepteur DVB-T multi-capteurs. Ce récepteur comporte par exemple au moins 2 antennes de réception et un processeur adapté à traiter les étapes 2, 3, 4, 5, 6 et 7 référencées sur la o10 figure 1. Etape 1 Le signal est reçu sur le réseau d'antennes. Etapes 2, 3 et 4 Le procédé numérise les signaux reçus sur les différentes 15 antennes selon une méthode connue de l'Homme du métier (étape 2). A l'issue de cette étape de numérisation, les signaux sont synchronisés en temps et en fréquence sur le signal DVB-T considéré (étape 3). Les signaux synchronisés sont ensuite démodulés en appliquant par exemple une FFT (Fast Fourier Transform) de la partie utile des symboles OFDM pour chacune 20 des antennes (étape 4). Etapes 5 ou 5bis A l'issue des étapes 2, 3 et 4, le signal reçu (signal numérisé, synchronisé sur le signal DVB-T considéré et démodulé OFDM) s'écrit: x[n,k] = H[n,k].a[n,k] + z[n,k] (1) o: - n représente l'indice du symbole OFDM (dimension temporelle), - k représente l'indice de la sous-porteuse (dimension fréquentielle), - x[n,k] = {x4[n,k], x2[n,k]...} est le vecteur composé des signaux reçus sur chacune des antennes, après synchronisation et démodulation OFDM, - HIn,k] = {H1[n,k], H2[n,k]...} est le vecteur représentatif du canal de 30 propagation, - a[n,k] est le symbole émis sur la k'ème sous-porteuse du nième symbole OFDM, - z[n,k] est le vecteur représentant la contribution du bruit blanc gaussien additif et des brouilleurs co-canaux. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir une estimation fiable â[n,k] du symbole a[n,k] (c'est à dire permettant de récupérer les données transmises) même en présence d'un signal brouilleur co-canal fort, par exemple pour un rapport C/l (rapport signal à interférent) allant jusqu'à -20 dB. Lorsque l'on s'intéresse plus spécifiquement aux pilotes continus et dispersés, on sait que pour un pilote donné, la même donnée est transmise à chaque symbole OFDM (en fait tous les 4 symboles OFDM pour les pilotes dispersés) et de ce fait a[n,k] = a[k] (la donnée transmise ne dépend que de l'indice du pilote et elle est connue du récepteur). Lorsque l'on s'intéresse plus spécifiquement aux pilotes de signalisation TPS, on sait que durant un symbole OFDM, chaque pilote TPS transmet la même donnée logique codée différentiellement. Dans ce cas, a[n,k] s'écrit wk.a[n] O Wk est une séquence pseudo aléatoire, décrite dans la norme ETSI EN 300 744 et connue du récepteur. Les étapes 5 ou 5bis ont notamment pour fonction d'estimer a[n,k]. Cette estimation est réalisée à l'aide d'une recombinaison pondérant les signaux reçus au niveau des différentes antennes du récepteur, après synchronisation et démodulation OFDM. L'estimation est représentée par la 25 formule: â[n,k] = gd[n,k].x[n,k] (2) o g[n,k] est le vecteur de recombinaison et H est l'opérateur transposéconjugué. Cette opération de recombinaison réalise un filtrage spatial ou spatio-temporel, et il convient de bien choisir la valeur du vecteur de recombinaison, c'est à dire les différents coefficients de pondération. Lorsque le vecteur de recombinaison est indépendant de la fréquence (g[n,k] = g[n]), le filtrage des signaux est un filtrage spatial. Lorsque ce vecteur dépend de la fréquence, le filtrage des signaux est un filtrage spatio-temporel, constitué d'un filtrage spatial sur chacune des fréquences de la bande de réception. Quelques exemples de structure permettant de calculer le vecteur de recombinaison à utiliser sont données ci-après à titre illustratif et nullement limitatif. Etape 5 io Vecteur de recombinaison ne nécessitant pas d'avoir estimé le canal de propagation (MMSEC1) Il est bien connu que le filtre spatial adapté à une séquence de référence d[n] incluse dans le signal, c'est à dire le filtre spatial minimisant l'erreur quadratique entre sa sortie et la séquence de référence, est g[n] = R-'[nlrx [n] (3) o - Rxx[n] est la matrice de corrélation du signal à filtrer spatialement, - rXd[n] est le vecteur d'intercorrélation entre le signal à filtrer spatialement et la séquence de référence. L'utilisation d'un tel vecteur de recombinaison requiert notamment: 20 l'existence une séquence de référence, - l'estimation de la matrice de corrélation du signal à filtrer spatialement ainsi que l'estimation du vecteur d'intercorrélation entre le signal à filtrer et la séquence de référence. Le procédé selon l'invention considère notamment que la 25 séquence de référence est constituée des symboles a[n,k] transmis sur les pilotes continus et/ou les pilotes dispersés. Le vecteur considéré est le vecteur signal obtenu à chacune des fréquences. L'estimation de la matrice de corrélation et l'estimation du vecteur d'intercorrélation sont alors effectuées en utilisant respectivement les formules suivantes: Rxx[n]= ( E4x[n+l,k]xH[n+l,k] (4) l=- EK (4) fxa[n]l= 2 I x[n+l.k1a[k( l:-qtkEKt o: - l'indice I est un indice permettant d'utiliser les symboles OFDM avant (L1 o10 symboles avant) et après (L2 symboles après) le symbole considéré afin d'améliorer l'estimation de la matrice de corrélation, - KI est l'ensemble des indices des pilotes continus et/ou des pilotes dispersés. Une variante de réalisation qui permet d'améliorer l'estimation de 15 la matrice de corrélation Rxx[n], consiste par exemple à effectuer la somme sur toutes les sous-porteuses, et non pas uniquement sur les pilotes continus et/ou dispersés. Cette amélioration s'applique pour estimer R,, [n] par la formule suivante: l=Lj$K E Ex[n+l,k]xH[n+l,k]) (6) o K est l'ensemble des indices de toutes les sous-porteuses. Quelle que soit la formule utilisée pour estimer Rxx On a donc gMMSEC[nk]= g[n]= Rxx[nxa[n] (7) Le filtrage réalisé par cette structure est un filtrage spatial, et ses performances sont limitées lorsque le bruit (c'est-à-dire le bruit de réception + les signaux interférents) n'est pas blanc temporellement (les signaux interférents comportent des multitrajets de propagation). Une façon 5 d'améliorer les performances consiste à mettre en oeuvre un filtrage spatiotemporel des signaux. Ainsi, afin d'améliorer la réjection de brouilleurs, le procédé comporte, par exemple, une étape permettant de découper la bande globale du signal en sous-bandes. Chaque sous-bande a une largeur, de préférence, inférieure à la bande de cohérence du canal. Pour chacune de 1o ces sousbandes, le procédé calcule alors le vecteur de recombinaison comme il a été indiqué ci-dessus, c'est à dire en estimant Rxx[n] et rxa[n] par les formules (4) et (5), avec Ki représentant dans ce cas les indices des pilotes continus et/ou dispersés inclus dans la sous-bande considérée. En introduisant un indice m représentant la sous-bande, les formules (3), (4) et 15 (5) deviennent: g[n, m] = Rx1 [n, mrxd [n, m] (3) bis fxx[n,m]= E x[n+lk]xH[n+lk] (4) bis xa[nfm]= 2 x[n+lk]a [k (5) bis l=-Ll( keglm Ou KI, m représente l'ensemble des indices des pilotes continus et/ou 20 des pilotes dispersés de la sous-bande m. Comme précédemment, la matrice de corrélation R, On obtient ainsi un vecteur de recombinaison par sous-bande considérée, qui est par exemple utilisé pour estimer â[n,k] pour chacune des sousporteuses incluses dans la sous-bande. Ce découpage en sous-bandes correspond à une transformation du filtrage purement spatial en filtrage spatio-temporel, ce qui améliore très nettement l'efficacité du procédé. Le canal de propagation est considéré comme constant dans cette variante de mise en oeuvre. Etape 5bis Vecteur de recombinaison nécessitant d'avoir estimé le canal de propagation (MMSEC2) Dans cette variante de réalisation, le procédé consiste par o10 exemple à utiliser un filtre spatial obtenu par minimisation de l'erreur quadratique (MMSE en anglais) qui est g[f] =Rl[flH[f] (7). Pour le signal OFDM utilisé dans l'exemple d'application la relation (7) devient g[n,k] = R [n,kjH[n,k] (8) Le procédé suppose que le vecteur canal HIn,k] a été estimé i5 selon une méthode connue de l'Homme du métier (par exemple telle décrite dans l'article "TCM on frequency- selective land-mobile fading channels" de Peter Hôher, Proc. Tirrenia Int. Workshop Digital Commun, Tirrenia, Italy, September 1991). Le procédé estime la matrice de corrélation Rxx Comme précédemment, on peut également découper la bande totale en sousbandes, dont la largeur est choisie de préférence inférieure à la largeur de la bande de cohérence du canal de transmission, puis estimer une matrice de corrélation pour chacune de ces sous-bandes à l'aide de l'une des deux formules suivantes: ûxx[nm] = Ei y x[n+1,k]xH [n+1,k] (4) 1k K,m OU,xx[n,m]= E ( Ex[n+Ik]xH[n+ lk (6) I=-L1 kEKm Le procédé permet ainsi de calculer un vecteur de recombinaison pour chacune des sous-porteuses du signal OFDM afin d'estimer la donnée 1o a[n,k] reçue sur chacune des sous-porteuses. Le canal peut être variable dans la sous-bande. Filtre spatio-temporel adapté (FAST ou STMF) Selon une autre variante de réalisation, le procédé utilise un filtre spatio-temporel adapté qui s'exprime pour le signal OFDM par la relation g[n,k]=R-l[n,klH[n,k] (9) Selon cette variante, le procédé comporte une étape d'estimation de la matrice de corrélation du bruit blanc gaussien et des signaux interférences Rzz[n,k]. Pour cela, le procédé estime la contribution du bruit aux indices 20 des pilotes continus et/ou dispersés par la formule [n,k]=x[n,k]-I[n,kla[n,k] (10). Rappelons que pour ces pilotes, a[n,k] est connu (car les valeurs de a[n,k] à ces pilotes sont fixées par le norme DVB-T ETSI EN 300 744), et que l'on suppose que le canal a été estimé par une technique connue de l'Homme du métier (on peut par exemple se référer à l'article "TCM on frequency-selective land-mobile fading channels" de Peter Hôher, Proc. Tirrenia Int. Workshop Digital Commun, Tirrenia, Italy, September 1991). Le procédé estime alors la matrice de corrélation Rzz[n,k] selon la méthode indiquée précédemment pour la matrice Rxx[n,k] en remplaçant x[n, k] par z[n,k]. Etape 6: Application du procédé selon l'invention à la démodulation des bits TPS d'un signal DVB-T Les variantes de réalisation décrites cidessus permettent par exemple de démoduler les bits TPS d'un signal DVB-T même en présence d'un signal brouilleur co-canal fort (jusqu'à 20 dB plus fort que le signal DVBT considéré, voire même plus). Pour cela: ò La technique précédente permet de récupérer les symboles estimés 15 â[n, k] pour les indices k correspondant aux indices des pilotes TPS, À Durant un symbole OFDM donné, comme chaque pilote TPS transporte le même bit logique modulé différentiellement, le procédé utilise alors cette diversité fréquentielle et réalise la démodulation différentielle pour obtenir le bit de donnée TPS transmis durant le symbole OFDM 20 considéré. Différentes manières de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention sont possibles, par exemple: À soit réaliser la démodulation différentielle avant d'utiliser la diversité fréquentielle. Dans ce cas, on a: adif [n, k] = i[n + 1, kl' [n, k], démodulation différentielle, (1) adifalli[n]= ke dif[n,k], (12) utilisation de la diversité fréquentielle (T keT ' est l'ensemble des indices des pilotes TPS), 1, {93 adif _all [n]} 0, b[ 1, gîadif all[n]{]} Application du procédé dans un outil de métrologie La figure 2 schématise un exemple d'application du procédé selon l'invention dans un outil de métrologie. Le récepteur adapté à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention est situé dans un véhicule de mesures utilisé pour transporter l'équipement en un point o un problème de brouillage a été détecté. Dans cet exemple le récepteur comporte 5 antennes et a pour objectif de détecter et d'identifier les différents émetteurs DVB-T reçus à un endroit dans une bande de fréquences donnée. Ces informations sont utilisées par exemple pour optimiser le réseau ou en référer à une autorité de s régulation. On pourra par exemple s'intéresser à un canal des bandes UHF ou VHF. Par exemple, en réglant l'équipement sur la fréquence 626 MHz (canal 40), l'équipement pourra fournir la liste des signaux DVB-T reçus à cette fréquence et pour chacun des signaux DVB-T reçus, les informations io suivantes: - niveau de réception du signal, - C/l = rapport signal à interférent (l'objectif est de détecter et de démoduler les informations TPS pour des C/l allant au moins jusqu'à -20 dB), - Cell-id (identification de la cellule d'origine du signal), - Configuration du signal DVB-T (mode, intervalle de garde, modulation utilisée, code rate...) REVENDICATIONS 1 - Procédé de démodulation d'un signal dans un système de transmission o la modulation comporte plusieurs sous-porteuses sensiblement orthogonales, le vecteur du canal de propagation -n,k] étant connu, ou le signal reçu comportant au moins des symboles pilotes transmettant des données de référence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape io d'estimation du symbole a[n,k] émis sur la kième sous-porteuse du nime symbole de la modulation à l'aide d'une étape de recombinaison pondérant les différents signaux reçus x[n,k] après synchronisation et démodulation. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape de recombinaison utilise un vecteur de recombinaison défini par la relation g[n]= Rxx [n].rXd [n] (3) et en ce que: l'estimation de la matrice de corrélation et du vecteur d'intercorrélation est 20 effectuée en utilisant les formules suivantes: L2 l]H [n+1, (4) Rxx[n]= I (à x[n+1,k]x îxa [n] k =[+ ,k] a [Yl kl() oU: - I'indice I correspond à l'utilisation des symboles de la modulation avant et 25 après le symbole considéré afin d'améliorer l'estimation de la matrice de corrélation, - KI est l'ensemble des indices des pilotes continus et/ou des pilotes dispersés. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte une 5 étape de découpage de la bande globale du signal en m sous-bandes et en ce que l'on détermine le vecteur de recombinaison pour chaque sous-bande. 4 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on utilise pour estimer la matrice les formules fxx[n,m]= ; = Ex[n+lk]xH[n+lk] (4) bis t=-qt k *:,m 2 xa[m] (5) bis rxa [n, m]= =-Iq x[.+1klaim o KI,m représente l'ensemble des indices des pilotes continus et/ou des pilotes dispersés de la sous- bande m. - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'estimation du vecteur du canal de propagation /[n,k] et en ce que le vecteur de recombinaison est donné par la formule suivante g[n,k]= R2[n,k]lH[n,k] (8). 20 6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la matrice de corrélation estimée est la matrice de corrélation du bruit blanc gaussien et des signaux d'interférences Rzz[n,k]. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la modulation est une modulation de type OFDM. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le 5 signal est un signal DVB-T et en ce que l'on estime les symboles pilotes TPS. 9 - Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes: * on démodule de manière différentielle: 'dif[n,k]=:[n+l,kli [n,k], (13) * on utilise la diversité fréquentielle: adif all [n]= y dif [,.n, k] ] (1 4) - oni k apTPS on applique un critère de décision pour obtenir le bit TPS. [ 1, Ein] = -1, 9{ dif_all [n]}>0, 9{adif _all [n] } O, 9R{à[n]}