Brevet FR2877167A1 — publié le 20060428

La présente invention se situe dans le domaine des systèmes de transmission pulsée radiofréquence de données binaires à étalement de spectre à très large bande UWB (Ultra Wide Band) et à diversité fréquentielle. L'invention vise plus particulièrement un dispositif et un procédé d'émission et un dispositif et un procédé de réception de telles données. Nous allons tout d'abord décrire, en référence aux figures 1 à 3, un émetteur et un récepteur radiofréquence à étalement de spectre qui utilisent une transmission pulsée à très large bande (UWB), ces dispositifs étant connus de l'homme du métier. o L'émetteur conventionnel 1 de données d'information b;, représenté à la figure 1, comporte des moyens 10 d'étalement spectral du type à séquence directe DS-SS (Direct Sequence Spread Spectrum) de ces données d'information b; permettant d'obtenir des données binaires c;. De façon connue, ces moyens 10 d'étalement DS-SS sont principalement 15 constitués par un multiplicateur 11 des données binaires b; par un code pseudoaléatoire PN. L'émetteur conventionnel 1 comporte également un générateur de signal impulsionnel 20 adapté à fournir un signal impulsionnel q; à partir de chaque donnée binaire c; en sortie des moyens d'étalement 10. Ce signal impulsionnel q;, de forme gaussienne et de durée environ égale à 0,2 ns est représenté en figure 2a. De façon connue, l'émetteur conventionnel 1 comporte aussi un amplificateur de puissance 30 et une antenne 40 pour l'émission des signaux impulsionnels q; dans le canal de transmission. L'antenne d'émission 40 qui agit comme un filtre passe-bande, effectue une dérivation du signal gaussien amplifié q; et émet une onde électromagnétique sous forme de signaux impulsionnels e;. La figure 2b représente la forme des signaux impulsionnels émis e; dans le cas d'un émetteur pulsé conventionnel 1 à très large bande (UWB). 30 Le spectre du signal émis e; est représenté à la figure 2c. L'émetteur conventionnel de la figure 1 est également utilisé pour des techniques d'accès multiple CDMA. L'homme du métier comprendra que le spectre du signal émis e; est beaucoup plus grand que le spectre du des données d'information b;, ce qui caractérise notamment un dispositif à étalement de spectre. Si la durée d'un signal impulsionnel q; est de l'ordre de 0.2 ns, et l'antenne 40 est une antenne de bande passante de 3 à 11 GHz,le spectre du signal émis par l'antenne 40 et mesuré à -10 dB est de 3.1 à 7 GHz. Ainsi, le signal émis e; a un spectre qui rentre dans la gamme fréquentielle [3.1, 10.6 GHz] réservée aux communications UWB. Sur la figure 2c est également présenté, en unités relatives, la forme du to masque spectral autorisé pour les communications UWB. Par définition, un signal est considéré comme étant à très large bande (UWB) si la largeur de son spectre à -10 dB est supérieure à 500 MHz. La largeur du spectre du signal e; étant de 3.9 GHz, ce signal e; émis par l'antenne est du type UWB. Ces signaux émis e; peuvent être reçus par le récepteur conventionnel 2 15 connu de l'homme du métier et représenté à la figure 3a. Ce récepteur conventionnel comporte une antenne de réception 40 qui agit également comme un filtre passe-bande et dérive le signal émis e;. A la sortie de l'antenne de réception 40, on obtient un signal reçu r; ayant la forme indiquée sur la figure 3b. L'antenne de réception 40 de la figure 3a à la même bande passante que l'antenne d'émission 40 de la figure 1. Ce récepteur conventionnel 2 comporte un amplificateur faible bruit 50 adapté à délivrer les signaux reçus r; et amplifiés à un détecteur de signal impulsionnel 60. De façon connue de l'homme du métier, le détecteur de signal impulsionnel 60 comporte principalement un filtre adapté à détecter la forme du signal reçu r;, et à fournir, en sortie, un signal c; qui est un estimateur de la donnée binaire c; fournie en entrée du générateur de signal impulsionnel 20 de l'émetteur conventionnel 1. Il est également possible de réaliser le filtre adapté 60 comme un corrélateur. Le signal estimé c; est fourni simultanément en entrée d'une unité de synchronisation 62 et d'un multiplicateur 61 similaire au multiplicateur 11 de l'émetteur conventionnel 1. De façon connue de l'homme du métier, l'unité de synchronisation 62 est adaptée à générer, à partir du signal estimé le code pseudo-aléatoire PN identique à celui fourni en entrée du multiplicateur 11 de l'émetteur conventionnel 1 pour l'étalement de la donnée d'information b;. Le code pseudo-aléatoire PN est fourni en entrée du multiplicateur 61 qui génère, en multipliant le signal estimé c; par le code pseudo-aléatoire PN, un signal intermédiaire fourni en entrée d'un intégrateur 70. De façon connue, cet intégrateur 70 permet d'obtenir la donnée d'information b;. to L'homme du métier comprendra que l'ensemble formé par l'unité de synchronisation 62, le multiplicateur 61 et l'intégrateur 70, constitue un moyen 21 de désétalement DS-SS du signal estimé 6;. Bien entendu, le bloc de synchronisation 62 connaît le code pseudoaléatoire PN utilisé à l'émission, ce code PN étant généré au niveau du récepteur 2 d'une manière synchrone avec le code PN à l'émission. Le système de transmission constitué par l'émetteur 1 et le récepteur 2 conventionnels décrits précédemment, comporte deux inconvénients majeurs: Premièrement, la forme du spectre du signal émis e représenté à la figure 2b dépend directement de la forme du signal impulsionnel gaussien q; de la figure 2a. Bien entendu, cet inconvénient est d'autant plus critique car le pulse gaussien doit être généré à des fréquences de l'ordre du GHz où il est extrêmement difficile de contrôler la forme des signaux obtenus. Sur la figure 2c on voit également que le spectre de e; ne remplit pas complètement le masque spectral UWB autorisé, donc l'émission ne peut pas s'effectuer avec la puissance maximale autorisée et l'émission n'est pas optimale. Deuxièmement, le détecteur 60 du signal impulsionnel émis doit connaître la forme du signal reçu r;, cette forme pouvant notamment varier en fonction du type et de l'orientation des antennes 40 d'émission et réception, et des caractéristiques physiques du canal de transmission. Dans le cas où le canal de propagation entre l'émetteur et le récepteur est du type à évanouissements rapides (sélectif en fréquence), la forme du signal reçu r; serra hautement affectée par les caractéristiques du canal. De plus, la détection est d'autant plus difficile du fait qu'elle s'effectue sur un pulse reçu r; de très haute fréquence. L'invention permet de résoudre ces inconvénients. A cet effet et, selon un premier aspect, l'invention vise un dispositif d'émission radiofréquence de données binaires dans un canal de transmission comportant un générateur de signal adapté à générer, pour chaque donnée binaire, un signal impulsionnel de durée plus courte que la durée de ladite donnée binaire, des moyens de multiplication de ce signal impulsionnel par au moins un signal périodique de fréquence variable propre au dispositif d'émission, ro cette fréquence variable étant supérieure à la fréquence qui correspond à la durée du signal impulsionnel, et des moyens d'émission du signal impulsionnel résultat de cette multiplication. Dans le cas d'un système UWE3, la durée du signal impulsionnel permettant d'obtenir une bande de fréquence de 500 MHz doit être inférieure à 4 ns soit environ vingt fois plus longue que la durée de pulse gaussien du système conventionnel de la figure 2a. Le signal impulsionnel utilisé dans l'invention est donc beaucoup plus facile à générer que le pulse gaussien de haute fréquence de l'émetteur conventionnel. Au surplus, le signal impulsionnel selon l'invention est multiplié par un signal périodique de fréquence variable propre au dispositif d'émission, ce qui permet, en moyenne, d'occuper tout le spectre en faisant varier cette fréquence dans le gamme de 3.1 à 10.6 GHz sans qu'il soit nécessaire d'ajuster précisément la forme du signal impulsionnel du dispositif d'émission. Autrement dit, ces signaux périodiques de fréquences variables permettent d'effectuer un lissage spectral. On notera aussi que ce signal variable ne porte pas en lui-même d'information, ce qui distingue le dispositif d'émission selon l'invention d'un dispositif à étalement de spectre par saut de fréquence classique FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Avantageusement, la fréquence variable utilisée par le dispositif d'émission étant propre à l'émetteur, le dispositif de réception du signal n'a pas besoin de connaître la fréquence variable utilisée. Dans un mode préféré de réalisation, le signal impulsionnel est multiplié par plusieurs signaux de fréquences variables. Le dispositif d'émission comporte alors des moyens de sommation des signaux impulsionnels résultats de ces multiplications, ces moyens d'émission étant adaptés à émettre le signal impulsionnel obtenu par cette sommation. Dans ce cas le signal impulsionnel est transmis sur plusieurs bandes de fréquences et on est en présence d'une diversité fréquentielle. Cette diversité fréquentielle permet de remédier efficacement aux problèmes de propagation de signaux radio dans le cas des canaux sélectif en fréquence. to Préférentiellement, les fréquences variables utilisées sont aléatoires, ce qui permet d'améliorer le lissage spectral. Préférentiellement, les données binaires transmises par le dispositif selon l'invention sont obtenues par étalement spectral de données d'information. Cette caractéristique permet avantageusement, comme dans le cas d'une méthode à étalement de spectre classique, de transmettre les données d'information sur tout le spectre et ce, de façon difficilement détectable, ces données étant vues comme du bruit par un système tiers ne connaissant pas le code d'étalement pseudo-aléatoire. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, l'écart temporel entre 20 deux signaux impulsionnels consécutifs est supérieur à la profondeur des retards des trajets multiples dans le canal de transmission. L'homme du métier comprendra. que cette caractéristique permet avantageusement de s'affranchir d'un égaliseur dans le récepteur. Corrélativement, l'invention concerne un procédé d'émission radiofréquence de données binaires dans un canal de transmission ce procédé comportant, pour chaque donnée binaire: une étape de génération d'un signal impulsionnel de durée plus courte que la durée desdites données binaires; une étape de multiplication de ce signal impulsionnel par au moins un signal périodique de fréquence variable propre au procédé d'émission, cette fréquence variable étant supérieure à la fréquence qui correspond à la durée du signal impulsionnel; et une étape d'émission du signal résultant de cette étape de multiplication. Les avantages particuliers du procédé d'émission étant identiques à ceux du dispositif d'émission mentionné précédemment, ils ne seront pas rappelés ici. D'autres aspects et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à l'aide de la description de mode particulier de réalisation qui va suivre, cette description étant donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente, de façon schématique, un émetteur to conventionnel de l'état de la technique; - la figure 2a, déjà décrite, représente un signal impulsionnel intermédiaire de forme gaussienne utilisé par l'émetteur de la figure 1; - la figure 2b, déjà décrite, représente la forme du signal impulsionnel émis par l'antenne de l'émetteur de la figure 1; - la figure 2c, déjà décrite, représente le spectre fréquentiel correspondant au signal émis de la figure 2b; - la figure 3a, déjà décrite, représente un récepteur conventionnel connu de l'état de la technique; - la figure 3b, déjà décrite, représente la forme d'un signal reçu à la sortie 20 de l'antenne de réception du récepteur de la figure 3a; - la figure 4 représente un dispositif d'émission conforme à l'invention dans un mode préféré de réalisation; - la figure 5a représente la forme d'un signal impulsionnel utilisé dans le dispositif d'émission de la figure 4; - la figure 5b représente le signal iimpulsionnel utilisé dans le dispositif d'émission de la figure 4 multiplié par un signal périodique utilisé dans le dispositif d'émission de la figure 4; - la figure 5c représente le signal impulsionnel utilisé dans le dispositif d'émission de la figure 4 multiplié par plusieurs signaux périodiques de 30 fréquences variables; - la figure 5d représente le spectre fréquentiel moyen correspondant à plusieurs signaux du type de celui de la figure 5c; et la figure 6 représente, sous forme d'organigramme, les principales étapes d'un procédé d'émission conforme à la présente invention. La figure 4 représente un dispositif d'émission de données d'information b; conforme à l'invention dans un mode préféré de réalisation. L'émetteur 100 comporte des moyens d'étalement 10, identiques ou similaires à ceux de l'émetteur conventionnel 1 décrit précédemment en référence à la figure 1. Ces moyens d'étalement 10 sont ainsi adaptés à générer des données binaires c; par étalement spectral DS-SS des données d'information b;. io Le dispositif d'émission 100 selon l'invention comporte un générateur de pulse 120 adapté à générer, pour chaque donnée binaire c;, un signal impulsionnel p; de durée Ti tel que celui représenté en trait plein à la figure 5a. Sur cette même figure 5a, le signal impulsionnel gaussien q;, utilisé dans un émetteur UWB conventionnel et décrit précédemment en référence à la Is figure 2a, est représenté en trait pointillé, à titre de comparaison. Dans le mode de réalisation décrit ici, il apparaît ainsi que le signal impulsionnel p; de l'invention est un signal carré de durée environ vingt fois supérieure à celle du signal gaussien q; d'un système UWB conventionnel. L'homme du métier comprendra aisément que ce signal impulsionnel p; est beaucoup plus facile à générer et contrôler que le signal impulsionnel q; de l'art antérieur. Dans le mode préféré de réalisation décrit ici, le dispositif d'émission 100 comporte plusieurs multiplicateurs 125 adaptés à multiplier le signal impulsionnel p; par des signaux périodiques de fréquences variables fi1, fi2... fin, ces fréquences variables étant propres au dispositif d'émission 100. Les fréquences fi sont choisies supérieures à la fréquence qui correspond à la durée Ti de l'impulsion p; : fi > 1 / Ti. La figure 5b représente l'amplitude du signal ainsi obtenu en sortie du multiplicateur 125. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'émission 100 comporte des moyens 126 de sommation des signaux en sortie des multiplicateurs 125. La figure 5c représente le signal somme s; obtenu à la sortie du moyen de sommation 126. Ce signal est obtenu avec quatre signaux périodiques de fréquences f. Le dispositif d'émission 100 comporte un amplificateur de puissance 30 et une antenne 40 identiques ou similaires à ceux de l'émetteur conventionnel 1 décrit précédemment à la figure 1, pour l'émission, dans le canal de transmission, du signal s; obtenu en sortie du des moyens de sommation 126. La figure 5d représente le spectre moyen du signal somme s; correspondant à un signal impulsionnel q1 multiplié par quatre signaux ro périodiques de fréquences variables aléatoires fi1, fj2, fj3 et fi4. s; = Ep;.f = pin + pi*fj2 + pi*fia+ p1*fi4 Les fréquences fi1, fj2, fia et fi4 se trouvent dans la bande fréquentielle dans laquelle doit se trouver le spectre du signal émis s;. Dans l'exemple décrit ici, les fréquences fi1, fj2, fia et fi4 se trouvent dans la bande UWB. Etant donné que pour rs chaque signal impulsionnel pi, les fréquences f varient, le spectre du signal somme s; varie également. Sur la figure 5d représentant le spectre moyen du signal s;, il apparaît clairement que le spectre du signal somme s; occupe efficacement tout le masque spectral donné pour les communications UWB. Comme pour chaque signal impulsionnel pi les fréquences fi varient, le spectre du signal somme s; varie également. Sur la figure 5d est représenté le spectre moyen du signal si. On voit bien que le spectre du signal somme s; occupe efficacement tout le masque spectral donné pour les communications UWB. L'émetteur 100 permet d'effectuer une transmission pulsée sur une bande fréquentielle ajustable en fonction des fréquences fi. L'homme du métier comprendra que l'invention facilite l'utilisation de la bande légiférée UWB de 3.1 à 10.6 GHz et la réception au niveau du récepteur 2. Conformément à l'invention, les fréquences variables utilisées propres au dispositif d'émission ne portent aucune information. Elles sont utilisées simplement pour l'étalement du spectre du pulse pi, le positionnement du spectre du pulse p; dans de la bande définie par la législation, pour effectuer une occupation optimale du spectre ainsi qu'un lissage spectral. A l'aide de la largeur du pulse p;, du nombre de fréquences variables fi et les bandes occupées quand ces fréquences varient, on peut régler de façon précise la largeur du spectre du signal somme s; ainsi que l'emplacement du spectre du signal somme si dans le domaine fréquentiel et en particulier sur la bande réservée aux communications UWE4. De plus, le saut des fréquences variables, engendrant une diversité fréquentielle, minimise les phénomènes d'évanouissement dûs au canal de io propagation. II est bien connu que la diversité fréquentielle augmente la fiabilité de la liaison. Le filtrage et la dérivation introduites par l'antenne de réception n'affectent pas le signal somme si. En effet le signal somme si étant formé de plusieurs signaux de fréquences variables f; leur dérivation est équivalente à un simple décalage temporel. Dans le mode préféré de réalisation décrit ici, l'écart temporel D entre deux signaux impulsionnels p;, consécutifs est supérieur à la profondeur des retards des trajets multiples dans le canal de transmission. En pratique, cet écart temporel D est défini une fois pour toutes lors de la réalisation du dispositif, en fonction l'étalement temporel maximal (ou profondeur des retards maximal) de l'environnement d'utilisation prévue entre un émetteur et un récepteur. Le signal émis par le dispositif d'émission 100 selon l'invention, peut être reçu par un récepteur conventionnel 2 tel que décrit précédemment à la figure 4, dès lors que le détecteur de pulse 60 est programmé pour détecter l'enveloppe du signal somme s;. La figure 6 représente les principales étapes E10 à E50 d'un procédé d'émission d'une donnée d'information conforme à l'invention dans un mode préféré de réalisation. Ce procédé comporte une première étape E10 au cours de laquelle on réalise un étalement spectral DS-SS de la donnée d'information b;, pour obtenir une donnée binaire c;. i0 Cette étape consiste, de façon connue, à multiplier la donnée d'information b; par un code pseudo-aléatoire PN connu du dispositif de réception 2. L'étape E10 d'étalement est suivie par une étape E20 au cours de 5 laquelle on génère, pour la donnée binaire c;, un signal impulsionnel p; , de durée i;, cette durée étant plus courte que la durée de la donnée binaire c;. Dans le mode préféré de réalisation décrit ici, l'écart temporel entre deux signaux impulsionnels p;, p;+1 consécutifs est supérieur à la profondeur maximale D des retards des trajets multiples dans le canal de transmission. o L'étape E20 de génération du signal impulsionnel p; est suivie par une étape E30 au cours de laquelle on multiplie le signal impulsionnel p; par plusieurs signaux périodiques de fréquences fi: fil, 12.., fin variables. On rappelle qu'il n'est pas nécessaire que les fréquences fi de ces signaux périodiques soient connues du récepteur 2 Dans le mode préféré de réalisation décrit ici, les fréquences fi de ces signaux périodiques sont choisies de façon aléatoire. Cette étape E30 de multiplications est suivie par une étape E40 au cours de laquelle on effectue la sommation des signaux impulsionnels obtenus au cours de l'étape E30 précédente, puis par une étape E50 au cours de laquelle 20 on émet, dans le canal de transmission, le signal obtenu au cours de l'étape précédente E40 de sommation. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'émission radiofréquence de données binaires (c;) dans un canal de transmission comportant un générateur de signal adapté à générer, pour chaque donnée binaire (c;), un signal impulsionnel (pi) de durée (Ti) plus courte que la durée de ladite donnée binaire (c;), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre: des moyens de multiplication dudit signal impulsionnel (pi) par au moins un signal périodique de fréquence (fi) variable propre audit dispositif d'émission, ladite fréquence variable (fi) étant supérieure à la fréquence (1/i;) dudit signal impulsionnel (p;) ; et des moyens d'émission du signal impulsionnel (p;.fi) résultat de ladite multiplication. 2 Dispositif d'émission selon la revendication 1, caractérisé en ce que: lesdits moyens de multiplication sont adaptés à multiplier ledit signal impulsionnel (p;) par plusieurs signaux de fréquences (fi) variables propres audit dispositif d'émission, lesdites fréquences variables (fi) étant supérieures à la fréquence (1/i;) dudit signal impulsionnel (pi) ; en ce qu'il comporte: des moyens de sommation des signaux impulsionnels (p;.fi) résultats desdites multiplications; et en ce que: lesdits moyens d'émission étant adaptés à émettre le signal impulsionnel (s;=Ep;.fi) résultat de ladite sommation. 3 Dispositif d'émission selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite fréquence variable (fi) est aléatoire. 4 - Dispositif d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence dudit signal périodique de fréquence variable varie pendant la multiplication dudit signal impulsionnel (p;). 5 - Dispositif d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites données binaires (c;) sont obtenues par étalement spectral de données d'information (b;). 6 - Dispositif d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'écart temporel entre deux signaux impulsionnels (pi, p;.i) consécutifs est supérieur à la profondeur maximale des retards des trajets multiples dans ledit canal de transmission. 7 - Procédé d'émission radiofréquence de données binaires (c;) dans un canal de transmission ce procédé comportant, pour chaque donnée binaire (c;) : une étape de génération d'un signal impulsionnel (pi) de durée (i;), plus courtes que la durée desdites données binaires (c;) ; ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre: une étape de multiplication dudit signal impulsionnel (pi) par au moins un signal périodique de fréquence (fi) variable propre audit procédé d'émission, ladite fréquence variable (fi) étant supérieure à la fréquence (1/i;) dudit signal impulsionnel (pi) ; et. une étape d'émission dudit signal impulsionnel (p;.fi) résultat de 15 ladite étape de multiplication. 8 Procédé d'émission selon la revendication 7, caractérisé en ce que: au cours de ladite étape de multiplication, on multiplie ledit signal impulsionnel (pi) par plusieurs signaux de fréquences (fi) variables propres audit dispositif d'émission, lesdites fréquences variables (fi) étant supérieures à la fréquence (1/'r;) dudit signal impulsionnel (pi) ; en ce qu'il comporte: une étape de sommation des signaux impulsionnels (p; .f;) résultats desdites multiplications; et en ce que: au cours de ladite étape d'émission, on émet le signal impulsionnel 25 (s;=Ep;.fi) résultat de ladite étape de sommation. 9 - Procédé d'émission selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que, au cours de ladite étape de multiplication, on utilise un signal périodique de fréquence (fi) variable aléatoire. - Procédé d'émission selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, 30 caractérisé en ce qu'on fait varier la fréquence (fi) du signal périodique de fréquence variable au cours de la multiplication dudit signal impulsionnel (pi). 11 - Procédé d'émission selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'obtention desdites données binaires (c;) par étalement spectral de données d'information (b;). 12 - Procédé d'émission selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'écart temporel entre deux étapes de génération de signaux impulsionnels est supérieur à la profondeur maximale des retards des trajets multiples dans ledit canal de transmission.