Brevet FR2859844A1 — publié le 20050318

Procédé et dispositif de commande d'un récepteur dans un système de communication numérique Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le traitement du signal dans les récepteurs de communication numérique et notamment un procédé et système de commande io d'un récepteur dans un système de communication numérique. Etat de la technique Dans tout système de communication numérique, et tout spécialement dans les systèmes de communications sans fil, le récepteur est doté, entre autre, d'un mécanisme de détection et d'un mécanisme d'estimation de début de trame. La détection, est un problème bien connu dans l'état de la technique. C'est une opération qui consiste à traiter un signal qui est reçu d'un émetteur afin de déterminer si ce signal est porteur d'une information utile. Si l'on se réfère à la figure 1, on voit qu'un récepteur 1 reçoit un signal qui est également transmis à un bloc 2 de calcul d'une fonction de coût FI. Le résultat de la fonction de coût est transmis à un comparateur 3 qui compare cette valeur à celle d'un seuil K prédéfini. Le résultat de la comparaison est alors utilisé, comme cela est représenté dans la figure 2, pour discriminer le signal du bruit et pour déclencher le récepteur 1. Le seuil K présente par conséquent une importance toute particulière puisque c'est de lui que dépend directement le lancement du récepteur 1. En outre, le seuil affecte les performances du détecteur et notamment la probabilité d'une erreur de détection, qu'il s'agisse d'une fausse alarme (Fa/se Alarm ou FA dans la littérature anglo-saxonne) à savoir la détection d'un signal alors que l'on est en présence de ST03-GR2-228 bruit uniquement ou encore d'une absence de détection d'un signal réellement présent (Miss detect) . D'une manière plus formelle, si l'on adopte les conventions d'écriture 5 suivantes: HO: hypothèse où l'on est en présence de bruit seulement H1: hypothèse où l'on est en présence de signal et de bruit DO: hypothèse où il y a détection de bruit uniquement Dl: hypothèse où il y a détection de signal et de bruit Une fonction de coût classiquement utilisée consiste à effectuer la corrélation entre différents échantillons du signal reçu, la loi de probabilité de cette fonction de coût étant différente suivant que l'on se trouve dans l'hypothèse HO ou H1. Si l'on considère les courbes caractéristiques de la densité de probabilité (Probability Density Function dans la littérature anglosaxonne) de cette fonction de coût dans les deux hypothèses possibles (figure 3), la méthode classique consiste a fixer un seuil K qui permettra de décider l'une ou l'autre des deux hypothèses. La probabilité d'une erreur de détection peut alors s'écrire: P[(D1,Ho)u(Do,H1)] = p(Fc > K,n) + p(Fc ST03-GR2-228 En pratique, on ne connaît pas avec précision les densités de probabilité du signal et du bruit et l'on est alors contraint de fixer d'une manière approximative et empirique la valeur du seuil K. II en résulte alors une performance médiocre du détecteur. En outre, Il convient d'observer que le seuil K affecte directement l'opération dite d'estimation de début de trame, à savoir la détermination de l'instant précis où le signal devient informatif. Lorsque l'on a détecté la présence d'un signal périodique, il importe de pouvoir identifier le début de la trame. L'estimation doit permettre au récepteur de se caler exactement sur les premiers symboles reçus de l'émetteur. Si le seuil K est basé empiriquement trop bas, alors le récepteur devra gérer énormément de fausses détections et, dans le cas contraire, on ne détectera plus le signal. On a donc bien une influence directe de l'opération de détection sur celle de l'estimation. Ainsi, dans les techniques connues, on constate que l'on est confronté au problème rédhibitoire de la détermination précise du seuil K à utiliser dans le détecteur. La détermination du seuil optimal est impossible à réaliser en pratique en raison de la difficulté de connaître précisément les lois de distribution et leurs caractéristiques liées au signal et au bruit dans une situation concrète. On est alors souvent contraint de fixer le seuil K d'une manière empirique et approximative en étudiant le comportement du canal. Pour cette raison, les récepteurs connus, en ce qui concerne l'opération de détection ou celle d'estimation, présentent des performances limitées et ce quelle que soit la technique particulière mise en oeuvre: MC (Maximum Correlation) , Minimum Mean Square Error (MMSE) , SCHMIDL, car toutes ces techniques partent du postulat qu'il convient de régler le seuil à sa valeur optimale. Le problème commun à toutes ces techniques résident dans l'importance de bien fixer la valeur du seuil K. ST03-GR2228 Il serait souhaitable de trouver une technique alternative et de s'affranchir de la détermination du seuil K pour effectuer l'opération de détection et plus généralement la commande d'un récepteur dans un système de transmission numérique. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer une structure alternative aux io techniques connues de commande des récepteurs dans les systèmes de communication numérique. Un autre but de la présente invention consiste à proposer un procédé de commande pour un récepteur devant traiter une trame comportant un sous- is ensemble périodique, dans lequel il n'est plus nécessaire de déterminer, comme dans les techniques connues, un seuil K discriminant le signal du bruit. Un troisième but de la présente invention consiste à réaliser un détecteur efficace applicable aux techniques de transmission sans fil de type 802.11 L'invention réalise ces buts au moyen d'un procédé de commande d'un récepteur pour un système de communication numérique destiné à traiter une trame comportant un sous ensemble périodique, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - détermination d'un premier vecteur u de longueur n détermination d'un second vecteur v décalé d'un nombre entier de périodes - calcul de corrélation entre lesdits premier et second vecteurs; - calcul d'erreur quadratique entre lesdits premier et second vecteurs; - calcul d'une première fonction de coût qui est une combinaison linéaire des deux 30 calculs précédents et, en fonction du signe du résultat, - calcul d'une seconde fonction de coût représentative de l'estimation de début de trame et détermination de sa valeur minimale correspondant à un début de trame; - lancement du récepteur du système de communication. ST03-GR2-228 2859844 -s De préférence, l'estimation du début de trame est effectuée au moyen de l'utilisation de l'erreur quadratique moyenne entre le vecteur u rephasé et le vecteur v suivant la formule: s Ie-jAf2nLu v 1 2 avec L le nombre d'échantillons séparant les vecteurs u et v. Dans un mode de réalisation préféré, le procédé comporte les étapes suivantes: i0 - calcul du produit scalaire entre un premier vecteur résultant d'une fenêtre d'observation de longueur égale à la longueur dudit ensemble périodique et d'un second vecteur v décalé d'un nombre entier de périodes; - calcul de la dérive de phase Af résultant des oscillateurs utilisées en émission et 15 en réception suivant la formule: Af = a arg ( ) avec a=1/2itnT où T étant la période d'horloge; calcul de l'erreur quadratique moyenne suivant la formule: IIe-j f2nLu- v II2 avec L le nombre d'échantillons séparant les vecteurs u et v. - calcul d'une première fonction de coût F1 qui est une combinaison linéaire des deux calculs précédents; - comparaison de F1 par rapport à 0 et, en fonction du résultat, - calcul d'une seconde fonction de coût F2 servant à l'estimation du début de trame et détermination de sa valeur minimale correspondant à un début de trame; 25 - lancement du récepteur lorsque le résultat est positif. Ainsi, il n'est plus nécessaire de fixer un seuil servant d'élément de comparaison entre la fonction de coût classiquement utilisée dans les systèmes connus. Avec la fonction de coût définie précédemment, il suffit de rechercher le signe du résultat pour déterminer s'il y a lieu, ou non, de lancer le récepteur. Le procédé est tout spécialement adapté à la communication sur préambule périodique et donc de type 802.11. ST03-GR2-228 L'invention réalise également un dispositif de commande d'un récepteur pour un système de communication périodique. Description des dessins D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés: La figure 1 illustre une architecture connue d'un système de détection. La figure 2 illustre le principe de la détection dans les systèmes connus à partir d'une fonction de coût FI. La figure 3 illustre les courbes représentatives classiques des densités de probabilité du bruit et du signal. La figure 4 et 5 rappellent la structure d'un motif périodique et notamment 20 dans la technique de communication 802.11. La figure 6 illustre un mode de réalisation préféré d'un procédé de détection conformément à la présente invention. Description d'un mode de réalisation préféré On décrit à présent le procédé de détection selon l'invention. Le procédé est particulièrement adapté à la mise en oeuvre d'une technique de transmission sans fil telle que celle que l'on connaît sous l'appellation 802.11. Les figures 4 et 5 illustrent la constitution d'une trame qui comporte un préambule court (constitué des motifs périodiques B) et un préambule long (constitué des motifs CP et C). Le motif périodique B permet d'effectuer les opérations de détection et d'estimation sans ST03GR2-228 recourir à d'autres informations (comme celles obtenues par une séquence d'apprentissage). D'une manière générale, la trame comporte une répétition d'éléments 5 périodiques B ayant une longueur de n symboles appartenant à un alphabet donné. On considère un vecteur u (également représenté par Uk sur la figure) qui correspond à un ensemble d'éléments périodiques B et v (également représenté par Uk+L sur la figure) qui est l'élément décalé d'un nombre entier de périodes. Il est à lo noter que u et v peuvent constituer tout regroupement de plusieurs des sous ensembles périodiques note B sur le dessin 5. On fixe en général la longueur de la fenêtre périodique (B sur la figure 5) de manière à absorber la réponse impulsionnelle du canal en sorte que l'on retrouve, à la réception, un signal périodique. Si l'on fixe la longueur de la réponse impulsionnelle du canal à 4, l'élément B comportera au minimum 4 informations. Ces valeurs ne servent qu'à titre d'exemple nullement limitatifs. Dans l'approche classique, l'opération de détection est basée sur un calcul de corrélation entre les deux vecteurs u et v, calcul lui-même basé sur le produit scalaire . Cette opération est finalement suivie par une comparaison par rapport à la valeur du seuil K prédéfini. En théorie le produit scalaire est maximal lorsque les vecteurs sont convenablement synchronisés mais il faut, en pratique, tenir compte des perturbations introduites par le canal mais également l'effet résultant du système de gain automatique (Automatic Gain Control AGC) qui font que, dans le récepteur, les deux vecteurs u et v ne présentent pas le même module et que, par conséquent, le produit scalaire n'est pas maximum lorsque les deux vecteurs sont correctement alignés. Dans l'approche proposée par l'invention, on tient compte, pour effectuer l'opération de détection et finalement de commande du récepteur, d'un calcul de ST03-GR2-228 corrélation ajusté par la prise en compte des modules des deux vecteurs u et v pour tenir compte de la perturbation apportée par le canal.. Dans une première approche, le calcul de corrélation est effectué sur des 5 valeurs normalisées des deux vecteurs, suivant la formule: (1) Hull IIvHI Cette première approche présente cependant l'inconvénient d'introduire des opérations de division qui sont coûteuses à mettre en oeuvre. Dans une seconde approche, qui est le mode de réalisation préféré, on réalise un calcul moins complexe en terme d'architecture qui est basé sur une première fonction de coût F1 qui est une combinaison linéaire d'un calcul de corrélation basé sur le produit scalaire et d'un calcul de l'erreur quadratique moyenne sur les vecteurs u et v. Le calcul devient à présent directement réalisable sans qu'il soit nécessaire de recourir à des opérations de division. De préférence, on effectue le calcul suivant: F1 = - K Ie -i''Lu - v 2 (2) Avec Af étant la correction de phase à introduire pour tenir compte du décalage de fréquence à l'émission et à la réception et L le nombre d'échantillons séparant le vecteur u et v; Avec Af = a arg ( ) (3) Ou arg est l'opérateur renvoyant l'argument du produit scalaire et avec par exemple a=1/2nnT où T étant la période d'horloge ST03-GR2-228 La détection est alors basée sur la détermination du signe du résultat de cette première fonction de coût définie dans la formule (2) ci-dessus. Si le résultat est positif alors on détecte le signal et l'on peut démarrer l'estimation du début de trame au moyen d'une seconde fonction de coût F2 sans qu'il soit nécessaire de fixer précisément un seuil K comme dans les techniques connues. En effet, on peut montrer que le seuil K qui se trouve dans la formule (2) doit être approximativement égal au rapport signal a bruit le plus faible que l'on veut pouvoir détecter. On peut fixer par exemple K=1, ce qui est un bon choix. La figure 6 illustre un mode de réalisation d'un procédé de détection conformément à la présente invention. Dans une étape 10, on effectue un calcul de corrélation, basé sur le produit scalaire . Dans une étape 20, on calcule la correction de phase à apporter suivant la formule (3). Dans une étape 30, on calcule l'erreur quadratique moyenne entre l'élément 20 périodique u et l'élément décalé v, corrigée par la correction de phase suivant la formule: I I e-' f2nLu v 1 2 Dans une étape 40, on calcule une première fonction de coût F1 qui est la combinaison linéaire des résultats des deux premières fonctions calculées dans les 10 et 30 précédentes. De préférence, la fonction de coût F1 est calculée suivant la formule (2) en faisant intervenir une constante K dont on notera qu'elle ne pose pas le problème critique de la détermination du seuil dans les techniques connues. En effet, dans la nouvelle approche qui est procédée, on ne compare pas la fonction de coût à ce paramètre K, mais ce dernier sert uniquement à réaliser une combinaison linéaire entre la fonction de corrélation et l'erreur quadratique moyenne corrigée en phase. ST03-GR2-228 Dans une étape 50, on compare le résultat de la fonction de coût F1 par rapport à 0 et lorsque le résultat est positif on passe à l'étape 60. Lorsque la valeur est négative, le procédé retourne à l'étape 10 pour traiter un nouvel ensemble de vecteurs u et v. Dans une étape 60, on estime le début de trame à l'aide d'une seconde fonction de coût F2. Une possibilité particulièrement intéressante consiste à réutiliser l'expression précédemment calculée: I e-' f27rLu-v I 2 en tant que fonction de coût. L'index minimum de cette fonction de coût représente alors le début de trame et on lance alors le récepteur dans une étape 70. On observe un avantage particulièrement intéressant pour l'estimation de phase qui représente le décalage d'horloge de modulation et de démodulation entre l'émetteur et le récepteur (Af). En fait, ce qui est remarquable, c'est que l'instant de début de trame correspond à la meilleure estimation du décalage de fréquence (Af). Sachant qu'on le calcule à chaque instant (nécessité de l'algorithme de détection et d'estimation) il est alors directement exploitable lorsque l'instant de début de trame est trouvé. Ce décalage sert alors de correction grossière de phase au système pour le reste de la communication. Il peut être matérialisé par la présence d'un rotor dans lequel chaque échantillon du signal reçu y est déphasé par une valeur proportionnelle à Af. En pratique, l'estimation du début de trame peut être basée sur deux mécanismes qui peuvent être utilisés soit alternativement soit conjointement. Dans un premier mécanisme, on calcule l'erreur quadratique moyenne entre 30 u rephasé et v sur un ensemble fini d'échantillons et c'est la valeur minimale de ces échantillons qui permet de déterminer le début de trame ST03-GR2-228 Dans un second mécanisme, on calcule l'erreur quadratique moyenne entre u rephasé et v tant que la première fonction de coût F1 reste positive et le changement de signe de F1 est utilisé pour déterminer le début de trame. ST03-GR2-228 Revendications 1. Procédé de commande d'un récepteur dans un système de communication 5 numérique transmettant une trame comportant un sous ensemble périodique, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - détermination d'un premier vecteur u de longueur n à partir des signaux reçus par le récepteur; - détermination d'un second vecteur v décalé d'une quantité entière de périodes à 10 partir des signaux reçus par le récepteur; calcul de corrélation entre lesdits premier et second vecteurs; - calcul d'erreur quadratique entre lesdits premier et second vecteurs; - calcul d'une première fonction F1 qui est une combinaison linéaire des deux calculs précédents et, en fonction du signe du résultat, - calcul d'une seconde fonction de coût F2 représentative de l'estimation de début de trame et détermination de sa valeur minimale correspondant à un début de trame puis - lancement du récepteur du système de communication. 2. Procédé de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'estimation du début de trame est effectuée au moyen de l'utilisation de l'erreur quadratique moyenne entre le vecteur u rephasé et le vecteur v suivant la formule: IIe-jAf2nLu v II2 et L le nombre d'échantillons séparant le vecteur u et v 3. Procédé de commande d'un récepteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: calcul (10) du produit scalaire entre un premier vecteur résultant d'une fenêtre d'observation de longueur égale à la longueur dudit ensemble périodique et d'un 30 second vecteur v décalé ; - calcul (20) de la dérive de phase Af résultant des oscillateurs utilisées en émission et en réception suivant la formule: Of= a arg( ) ST03-GR2-228 12. Janvier 2004 - 13 - avec a une constante et T étant la période d'horloge; - calcul (30) de l'erreur quadratique moyenne suivant la formule: IIe- ' f2rcL u v 1 1 2 et L le nombre d'échantillons séparant le vecteur u et v - calcul (40) d'une première fonction de coût F1 basée sur une combinaison linéaire entre le produit scalaire et l'erreur quadratique moyenne; - comparaison (50) de FI par rapport à 0 et en fonction du résultat, - calcul d'une seconde fonction de coût (60) déterminant le début de trame - lancement (70) du récepteur lorsque le résultat est positif. 4. Procédé de commande d'un récepteur selon la revendication 3 caractérisé en ce que a est fixé à la valeur 1/2irnT 5. Procédé de commande d'un récepteur dans un système de communication 15 numérique destiné à traiter une trame comportant un sous ensemble périodique de longueur n, ledit procédé comportant les étapes suivantes: - détermination d'un premier vecteur u résultant d'une fenêtre de longueur n à partir des signaux reçus par le récepteur; - détermination d'un second vecteur v décalé à partir des signaux reçus par le 20 récepteur; - normalisation desdits premiers et seconds vecteurs; - calcul d'une fonction de corrélation entre lesdits premier et second vecteurs normalisés; - utilisation du résultat pour lancer le récepteur du système de communication. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le procédé de communication est un procédé de communication sans fil conforme à la norme 802.11 7. Dispositif de commande d'un récepteur dans un système de communication numérique destiné à traiter une trame comportant un sous ensemble périodique de longueur n, ledit dispositif comportant: - des moyens pour calculer un premier vecteur u de longueur n ST03-GR2- 228 12. Janvier 2004 - 14 - - des moyens pour calculer un second vecteur v décalé d'un nombre entier de périodes; - des moyens pour calculer la corrélation entre lesdits premier et second vecteurs (u,v) ; des moyens pour calculer une erreur quadratique entre lesdits premier et second vecteurs; - des moyens de calcul d'une première fonction de coût F1 qui est une combinaison linéaire des deux calculs précédents et, en fonction du signe du résultat, - des moyens de calcul d'une seconde fonction de coût pour la recherche de l'instant de début trame; - des moyens pour lancer le récepteur du système de communication. 8. Dispositif de commande selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'estimation du début de trame est effectuée au moyen de l'utilisation de l'erreur quadratique moyenne entre le vecteur u rephasé et le vecteur v suivant la formule: I I e-jAf2nLu - v I 12 et L le nombre d'échantillons séparant le vecteur u et v 9. Dispositif de commande d'un récepteur selon la revendication 7 caractérisé en ce 20 qu'il comporte: - des moyens de calcul du produit scalaire entre un premier vecteur résultant d'une fenêtre d'observation de longueur égale à la longueur dudit ensemble périodique et d'un second vecteur v décalé ; - des moyens de calcul de la dérive de phase Af résultant des oscillateurs utilisées en émission et en réception suivant la formule: Af= a arg( ) avec a étant une constante et T étant la période d'horloge; - des moyens pour calculer l'erreur quadratique moyenne suivant la formule: 30 I I e 1'f2nLu v 112 et L le nombre d'échantillons séparant le vecteur u et v - des moyens pour calculer une première fonction de coût F1 qui est une combinaison linéaire entre le produit scalaire et l'erreur quadratique moyenne; ST03-GR2-228 12. Janvier 2004 - des moyens de comparaison de FI par rapport à 0 et, des moyens pour déterminer le début de trame en calculant une seconde fonction de coût d'estimation - des moyens pour lancer le récepteur. 10. Dispositif de commande d'un récepteur selon la revendication 3 caractérisé en ce que a est fixé à la valeur 1/27cnT ST03-GR2-228 12. Janvier 2004