Brevet FR2890808A1 — publié le 20070316

Caractérisation de spectre pour équipements de communication La présente invention concerne la caractérisation fine de spectre, notamment pour des équipements de communication numérique, en contexte 5 radioélectrique ou filaire. L'invention trouve une application avantageuse, mais non limitative, à la communication en modulation OFDM, notamment à la communication cognitive et agile en fréquences. Le terme "communication cognitive" découle du vocable anglo-saxon "cognitive radio" et désigne une communication intelligente dans laquelle les équipements sont capables de changer de fréquences en dynamique et sur une large plage de fréquences (par exemple quelques GHz, d'où aussi le terme "agile en fréquences"). Par ailleurs, il est rappelé que la modulation OFDM (pour "Orthogonal Frequency Division Multiplexing") permet de répartir un train binaire de haut débit en une multitude de trains (ou canaux), modulés à bas débits. Chacun de ces sous-canaux est modulé par une fréquence différente, l'espacement entre fréquences restant constant. Ces fréquences constituent une base orthogonale dans laquelle le spectre du signal OFDM présente une occupation optimale de la bande allouée. Ainsi, la modulation OFDM assure une répartition d'un débit important sur une série de sous-porteuses orthogonales et modulées à bas débits. Ces sous- porteuses se présentent généralement comme d'étroites bandes de fréquences. Un des buts de la présente invention est préférentiellement de permettre à des équipements de communication de: mesurer et caractériser l'occupation spectrale sur une gamme de fréquences dans laquelle ces équipements sont eux-mêmes susceptibles d'opérer, par exemple en contexte OFDM, et décider, en fonction du besoin de communication et de l'analyse du 5 spectre, de la bande dans laquelle travailler. L'invention propose alors une caractérisation fine du spectre des fréquences notamment pour des équipements de communication cognitive et agile en fréquences. Elle met en oeuvre à cet effet un balayage du spectre (ou o "scanning" en vocable anglo-saxon). Toutefois, la présente demande entend par le terme "balayage" le fait de parcourir le spectre, de manière générale, que ce soit pour rechercher une bande libre dans le spectre, ou encore pour détecter des interférents, ou autre. II a été proposé, notamment dans des documents tels que WO-96/10300, un balayage de spectre associé à un système de décision. Le balayage numérique du spectre se fait généralement à l'aide d'une transformée de Fourier, avec, en particulier, une capture des échantillons numériques dans une bande de fréquences et une transformée de Fourier rapide (ou "FFT' ci-après). Le résultat de la FFT correspond au spectre du signal dans la bande considérée. Toutefois, l'analyse par FFT simple ne représente pas fidèlement les spectres présents et ne permet donc pas une identification et une caractérisation fiables des signaux correspondants. L'une des raisons possibles de cet inconvénient serait liée à la fenêtre rectangulaire de l'analyse temporelle. Une sinusoïde pure, dont la fréquence ne correspond pas exactement à l'une des fréquences porteuses de la FFT de balayage, rapporte de l'énergie sur un grand nombre de porteuses et ce dans un rapport avec l'énergie de la porteuse la plus forte qui n'est ni maîtrisable, ni prédictible d'un équipement à un autre. Par ailleurs, un analyseur de spectre classique est extrêmement coûteux, notamment pour les raisons suivantes: - il doit couvrir une très grande gamme de fréquences, - il doit couvrir des résolutions variables, -il a finalement pour fonction de présenter le spectre mesuré suivant un grand nombre de paramètres. La présente invention vient améliorer la situation. Elle propose à cet effet, pour réaliser le balayage de spectre, de faire précéder le calcul de transformée de Fourier rapide par un filtrage de mise en forme multiporteuses (filtrage de mise en forme effectué sur chacune des porteuses) afin de décider, en fonction du résultat obtenu, si un signal est présent sur la bande considérée ou non et, le cas échéant, de le caractériser finement (nature du signal, gabarit, niveau, ou autre). En termes plus généraux, l'invention vise d'abord un procédé de balayage de spectre à la réception d'un signal numérique, ce procédé comportant un calcul par transformée de Fourier. Au sens de l'invention, ce calcul est précédé d'un filtrage de mise en forme multiporteuses. Avantageusement, un mode de réalisation du filtre de mise en forme multiporteuses est un filtre polyphase. Ainsi, selon l'un des avantages que présente l'invention, il est possible de caractériser finement les composantes d'un spectre ambiant, et ce de manière reproductible et déterministe dans le temps, pour un même équipement ou encore pour plusieurs instanciations d'équipements. Selon un autre avantage que présente l'invention, il est possible de tirer profit d'une chaîne de réception multiporteuses à banc de filtres, déjà présente sur les équipements de communication, pour pouvoir effectuer à la fois le balayage du spectre au sens de l'invention et les étapes classiques de réception d'un signal numérique, notamment la démodulation du signal reçu. Néanmoins, cette mesure, bien qu'avantageuse, n'est aucunement obligatoire. L'invention vise donc aussi une chaîne de balayage de spectre au sens de l'invention, ainsi qu'un équipement communicant comportant une telle chaîne, io laquelle comprend un banc de filtrage de mise en forme multiporteuses en amont d'un module de calcul de transformée de Fourier, et préférentiellement des modules d'identification, de décision sur la présence ou non d'un signal dans le spectre considéré et, le cas échéant, de sa caractérisation. La description détaillée ci-après donne un exemple de réalisation d'une telle is détection de signal, ce signal étant prérépertorié (sa signature spectrale étant connue dans l'exemple qui est décrit). L'invention vise aussi un équipement communicant (par exemple une station de base ou un terminal) comportant la chaîne de balayage de spectre au sens de l'invention, ainsi qu'un système de communication, avantageusement en contexte de communication cognitive et agile en fréquences, mettant en jeu au moins une station de base et/ou au moins un terminal, en tant qu'équipement communicant au sens de l'invention. L'invention peut avantageusement utiliser des signatures de signaux préétablies, des règles de caractérisation et de détection de ces signaux, et, en particulier, un programme informatique pour la mise en oeuvre de l'invention. La présente invention vise aussi un tel programme informatique, ainsi qu'un composant programmable (par exemple un circuit intégré, un module DSP ou autre) comportant une mémoire stockant un tel programme. Un tel composant ou circuit intégré peut comporter la chaîne de balayage précitée seule, ou encore la chaîne de balayage en combinaison avec tout ou partie des moyens de l'équipement communicant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen 5 de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 illustre un traitement au sens de l'invention, avec balayage de spectre par calcul de FFT précédé d'un filtrage, la figure 2 illustre schématiquement la détection d'un signal de signature connue qui, avantageusement, peut succéder le traitement de la figure 1, to la figure 3 représente un graphe de la fonction IOTA, en tant que fonction de mise en forme du banc de filtrage polyphase intervenant avant le calcul de FFT, dans un exemple de réalisation avantageux, les figures 4A à 4D illustrent une comparaison entre l'estimation spectrale au sens de l'invention, en rajoutant un filtrage par la fonction IOTA avant la 1s FFT (traits pleins), et une estimation spectrale classique avec une simple FFT (traits pointillés), - la figure 5 illustre un premier mode de réalisation possible d'un équipement de communication mettant en oeuvre le traitement au sens de l'invention, dans lequel la chaîne de démodulation d'un signal utile et la chaîne de balayage sont séparées, la figure 6 illustre un second mode de réalisation possible d'un équipement de communication mettant en oeuvre le traitement au sens de l'invention, dans lequel, de façon avantageuse, la chaîne de démodulation du signal utile et la chaîne de balayage sont communes mais n'opèrent pas en même temps, - la figure 7 illustre une application du procédé au sens de l'invention à l'allocation dynamique de spectre dans un contexte de radiocommunication de contenu. Dans la description détaillée ci-après, le contexte de l'invention, donné à titre d'exemple, est le balayage (ou "scanning") par démodulation OFDM filtré par une mise en forme multiporteuses polyphase de IOTA. Le principe s'applique également pour toute autre mise en forme multiporteuses (dont une mise en forme multiporteuses polyphase de Nyquist). Ce traitement s'applique à un signal numérique reçu. Ce signal peut donc être reçu directement sous forme numérique (par exemple en diffusion ou en communication numérique, tel qu'un signal de télévision numérique). En variante, il peut s'agir aussi d'un signal qui a été reçu sous forme analogique, puis numérisé. La description détaillée ci-après utilise les notations suivantes: - L est la longueur de troncature de la fonction de mise en forme d'un filtre 15 polyphase utilisé pour le balayage de spectre (par exemple une fonction de type IOTA, Nyquist, ou autre) ; M est le nombre d'échantillons temporels sur la durée équivalente à la durée d'un symbole en modulation OFDM/IOTA; - N est le nombre de sous-porteuses prévu dans le balayage (étant entendu 20 qu'à partir de la bande totale balayée, il est possible de fixer la résolution de l'analyse) ; - gk sont les échantillons temporels de la fonction de mise en forme; - rk sont les échantillons temporels du signal reçu dans la bande d'analyse; - Rk sont les échantillons temporels filtrés de ce signal; et - am sont les coefficients de ce signal dans le domaine fréquentiel. En référence à la figure 1, un signal radiofréquence Sr est capté par une antenne 10. Une partie du signal, typiquement une bande de fréquences assez large (par exemple quelques mégahertz), est redescendue en bande de base de façon classique par un module syntoniseur (ou "tuner") 11, ce qui revient à "sélectionner" une bande précise i du signal Sr. La sortie du module 11 délivre une suite d'échantillons rk (M échantillons d'un symbole à chaque fois) qui sont appliqués ensuite au filtre de mise en forme polyphase 12, selon la formule générale suivante: Rk+2nM = rk+nM+ 2yM gk+2yM k E{0..M I} q=0 !,-I Rk+2nrL1+M E rk+nA9+2yMgk+2yM k E {0..M I} y=o Les échantillons ainsi filtrés Rk sont ensuite appliqués à un module de calcul 13 qui évalue leur transformée de Fourier selon la formule: 2M-I km -r_n am+2nM 1 Rk+2nMe 2M mE{0..2M I} k=0 Un module de décision 14 se base sur les coefficients an,+2nM ainsi évalués pour obtenir une estimation du spectre du signal Sr. Cette information est déjà lo utile en soi. Pour détecter ensuite un signal j dont la signature spectrale SIGN-j est préalablement connue (issue par exemple d'un module mémoire), il peut être prévu avantageusement un traitement tel qu'illustré à titre d'exemple sur la figure 2. is En particulier, il peut être prévu d'appliquer l'un des traitements suivants ou une combinaison de ces traitements: - corréler le spectre estimé (c'est-à-dire les coefficients am+2nM) avec la signature spectrale du signal recherché, avec une fonction de corrélation portant sur l'ensemble de la signature ou sur une suite de sous-parties de 20 cette signature et passer un critère de test global 16 (ou une suite de tests, respectivement), rechercher une fréquence pilote connue, ce qui revient à observer si l'énergie de l'une des sous-porteuses franchit un certain seuil THRe et qui s'exprime par: Iam+2nMI > THRe, m+2nM étant fixé à la fréquence pilote connue, dans le module de test 17 de la figure 2, intégrer la densité spectrale de puissance sur une bande donnée (en calculant par exemple la somme SUM des coefficients Iam+2nMl ou leur carré Iam+2nMl2) et rechercher si la densité spectrale de puissance franchit un seuil THRp (module de test 18 de la figure 2). Si le test ou la série des tests n'est pas satisfait (flèches ko en sortie des tests), le traitement peut être réitéré pour une signature de signal suivante (modules 20 et 15). to En revanche, si le ou les tests s'avèrent positifs (flèches ok en sortie des tests), le module de décision 19 signale la détection d'un signal j de signature spectrale SIGN-j. Pour améliorer le rapport signal sur bruit, le calcul peut être réitéré pour différents symboles. Ainsi, en termes plus généraux, le filtrage et l'estimation de la transformée de Fourier au sens de l'invention sont avantageusement suivis d'une identification d'un signal pré-répertorié. Les performances de la chaîne de balayage de spectre, au sens de l'invention, sont décrites dans un exemple ci-après, dans lequel la fonction de mise en forme du filtrage polyphase intervenant avant le calcul de FFT est la fonction IOTA (pour "Isotropic Orthogonal Transform Algorithm") bien connue en technique de modulation OFDM et dont un graphique est représenté sur la figure 3. Dans l'exemple décrit, les conditions de test sont les suivantes: M=256, L=4, - r est une sinusoïde pure (présentant un décalage de fréquence (ou "offset" ci-après) de 0; 1; 10; 40 % par rapport à l'une quelconque des porteuses 30 FFT du traitement de réception, relativement à l'écart interporteuses), - g est la fonction IOTA (figure 3). Les quatre figures 4A à 4D comparent alors: une estimation spectrale en rajoutant un filtrage par la fonction IOTA avant 5 le calcul de FFT, au sens de l'invention, et - une estimation spectrale classique avec une simple FFT, et ce, respectivement pour des offsets de fréquence de la sinusoïde pure de 0; 1; 10; 40 % par rapport aux porteuses FFT du traitement de balayage. Les spectres du signal avec une FFT classique sont représentés en traits io pointillés et les spectres du signal avec un traitement IOTA+FFT sont représentés en traits pleins. Ces quatre figures 4A à 4D illustrent bien la supériorité de l'analyse fine du spectre par banc de filtrage par rapport à l'approche FFT classique. En is particulier, la dispersion de la fréquence sur plusieurs sous-porteuses dans le cas le FFT simple apparaît clairement sur les figure 4B, 4C, 4D, alors que pour le traitement IOTA+FFT au sens de l'invention l'énergie est concentrée sur une seule sous-porteuse. La figure 4A illustre un cas particulier où la sinusoïde pure est parfaitement en 20 phase avec l'une des porteuses issues de la FFT. En définissant un facteur de localisation L selon la formule: an+z 2, avec p = arg max a,,, a le tableau ci-après, comparant les performances, en terme de localisation fréquentielle, du traitement au sens de l'invention (IOTA+FFT) et du traitement classique (FFT simple), illustre la supériorité du traitement au sens de l'invention. L= Offset=0% Offset=l % Offset=10% Offset=40% FFT simple L=-oo L=-46dB L=25dB L=-12dB IOTA+FFT L=-34dB L=-34dB L=-35dB L=-53dB Bien entendu, plus le facteur L est faible et plus le spectre est caractérisé finement. Les simulations montrent que le balayage IOTA+FFT reproduit plus fidèlement la sinusoïde pure et qu'il est moins sensible aux offsets de fréquence entre la sinusoïde et les porteuses FFT du traitement de balayage. Cette observation (réalisée sur une raie pure ici) peut être généralisée à un signal quelconque. Ainsi, on comprendra que la mise en oeuvre de l'invention permet de caractériser plus fidèlement et de façon plus déterministe les signaux en présence. L'implémentation d'une chaîne de traitement au sens de l'invention dans un équipement de communication est décrite maintenant en référence aux figures 5 et 6. En référence à la figure 5, dans un premier mode de réalisation, l'équipement comprend par exemple: - un syntoniseur 51 ramenant le signal reçu en bande de base, disposé en aval d'une antenne 50 et couvrant la gamme de fréquences opérables par 20 l'équipement, - un banc de filtres numériques 52 composé d'une FFT 522 et, la précédant, d'un filtre polyphase 521 permettant d'isoler les fréquences (mettant en oeuvre une fonction de mise en forme ou un prototype multiporteuses IOTA ou Nyquist). Comme présenté précédemment en référence aux figures 4A à 4D, un intérêt du filtre de mise en forme est de reproduire fidèlement le spectre reçu, les niveaux relatifs sur les porteuses FFT étant alors respectés, en s'affranchissant des contraintes d'orthogonalité de la seule opération de FFT. Cette chaîne de traitement permet donc d'effectuer un balayage du spectre ambiant et de mesurer fidèlement les composantes spectrales. Ainsi, une raie pure à X dB au dessus du niveau du bruit mesurable dans une bande d'analyse W, ressort de cette chaîne de traitement avec X dB au-dessus du niveau des porteuses FFT intégrant le bruit avec une résolution W. to En référence à nouveau à la figure 5, la chaîne de traitement 51-52 décrite ci-avant peut être succédée d'une chaîne d'analyse et décision 53-55, comprenant: un module mémoire 54 (statique ou pouvant avantageusement être mis à jour), stockant: * un jeu de règles de caractérisation et de prises de décision, * un ensemble de conditions de mesures, et * un ensemble de "signatures" ou gabarits recensés, un module d'analyse de spectre 53 pour l'identification et la caractérisation des signaux reçus, exploitant les règles précitées de caractérisation et les mesures effectuées, et un module de décision ou d'aide à la décision 55, s'appuyant sur les règles précitées pour opérer dynamiquement sur une bande de fréquences en fonction des signaux détectés et caractérisés précédemment. En poursuivant alors la description des éléments pertinents de l'équipement communicant au sens de l'invention, en référence à la figure 5, une chaîne de réception de l'équipement comporte: un syntoniseur 56 opérant à la fréquence du signal utile reçu, cette fréquence ayant été déterminée par le module de décision 55, et - un démodulateur 57 du signal utile pour accéder finalement aux données reçues DATAR. L'équipement comporte en outre une chaîne d'émission. Cette chaîne inclut un modulateur 58 qui opère à la fréquence du signal utile comportant les données à émettre DATAT. Cette fréquence est avantageusement déterminée par le s module de décision 55. Le modulateur 58 est suivi d'un module de synthèse 59 du signal utile, avant l'émission de ce dernier. Dans un second mode de réalisation, la chaîne de balayage de spectre et la chaîne de démodulation à la réception du signal utile comportent io avantageusement une majorité d'éléments en commun. En effet, dans ce second mode de réalisation, les fonctions de balayage et de démodulation du signal utile sont séparées dans le temps. La démodulation a lieu pendant une tranche temporelle, tandis que le balayage de spectre est effectué pendant une autre tranche temporelle. is La figure 6, sur laquelle les éléments communs avec la figure 5 portent les mêmes références, illustre ce second mode de réalisation. Avantageusement, la mise en oeuvre de ce second mode de réalisation permet l'économie du syntoniseur 56 de la chaîne de démodulation présentée sur la figure 5. Le syntoniseur 61 de la figure 6 ramène le signal reçu en bande de base et peut alors opérer communément en balayage de spectre et en réception, en particulier pour la démodulation du signal reçu. Le module de décision 65 peut avantageusement piloter ce syntoniseur 61. Par ailleurs, si le démodulateur du signal utile opère un calcul de FFT, voire un filtrage multiporteuses précédant le calcul de FFT, alors tout ou partie de l'architecture matérielle du traitement de balayage (module 52) peut être "mutualisée" (c'est-à-dire partagée) avec le traitement de démodulation du signal utile. Il reste finalement, pour assurer le traitement non "mutualisable", un module supplémentaire 67 (figure 6) à rajouter pour ce traitement du signal utile, en aval du module de calcul de FFT 522, et assurant typiquement la démodulation des symboles complexes issus de la FFT. Avantageusement, le traitement au sens de l'invention permet ainsi des fonctionnalités de communication cognitive et agile en fréquences, en s'appuyant sur l'implémentation décrite ci-avant dans des équipements de communication et par l'énonciation de règles de caractérisation de signaux et de décisions, notamment en commandant la fréquence appropriée du signal utile pour l'émission, déterminée par la chaîne de décision. Par exemple, en référence à la figure 7, dans une application à la radiocommunication cognitive de contenu (tel que du contenu de télévision) et plus précisément à l'allocation dynamique de spectre dans un contexte de radiocommunication opportuniste typiquement selon la norme IEEE 802. 22: un équipement communicant de type terminal 71, à disposition d'un utilisateur, peut effectuer un balayage du spectre, au sens de la présente invention, à la recherche d'une bande libre dans le spectre des fréquences de télévision (typiquement en contexte de libéralisation de la bande TV pour la radiocommunication cognitive), et détecter ainsi les émissions de la télévision analogique et numérique, l'information spectrale peut être communiquée (flèches 70) à une station de base 73 qui fusionne les informations reçues de tous les terminaux, et - la station de base 73 choisit dans le spectre TV une fréquence libre sur laquelle elle peut émettre du contenu, de sorte que la communication peut alors être lancée sur cette fréquence (flèches 72 en traits pointillés). Une autre application pourrait être un système global de radiocommunication cognitive dans lequel les sous-porteuses pourraient couvrir une grande partie au moins du spectre (contexte dit "d'Open Spectrum") et être affectées à chaque utilisateur sans gêner des utilisateurs précédents. Revendications 1. Procédé de balayage de spectre à la réception d'un signal numérique, le procédé comportant un calcul par transformée de Fourier (13), caractérisé en 5 ce que ledit calcul est précédé d'un filtrage de mise en forme multiporteuses. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre de mise en forme multiporteuses est un filtre polyphase (12). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre en contexte de modulation OFDM. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le filtrage utilise une fonction de mise en forme de type IOTA. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtrage et l'estimation de la transformée de Fourier sont suivis d'une identification d'un signal pré-répertorié (15,16,17,18,19). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, appliqué à l'allocation dynamique de spectre en radiocommunication de contenu, dans lequel: au moins un équipement communicant (71) effectue un balayage du spectre des fréquences pour rechercher une bande libre et communique (70), selon le balayage effectué, une information spectrale à destination d'une station de base (73), et en fonction des informations reçues dudit équipement communicant et d'éventuels autres équipements communicants, la station de base (73) choisit une fréquence libre du spectre, commune, pour initier (72) une communication de contenu sur ladite fréquence commune, à destination desdits équipements communicants. 7. Chaîne de balayage de spectre d'un signal numérique reçu, caractérisée en ce qu'elle comporte un banc de filtrage de mise en forme multiporteuses (521), en amont d'un module de calcul de transformée de Fourier (522). 8. Chaîne de balayage de spectre selon la revendication 7, caractérisée en ce 10 qu'elle comporte en outre, en aval du module de calcul (522) : un module d'analyse et d'identification (53), à partir de règles de caractérisation prédéfinies, d'un signal pré-répertorié, et - un module de décision (55), en aval du module d'analyse et d'identification (53), indiquant au moins une bande de fréquences d'opération d'un 15 équipement communicant, en réception et/ou en émission. 9. Equipement communicant caractérisé en ce qu'il comporte une chaîne de balayage de spectre d'un signal numérique reçu, la chaîne comprenant un banc de filtrage de mise en forme multiporteuses (521), en amont d'un module de calcul de transformée de Fourier (522). 10. Equipement communicant selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, en amont du banc de filtrage (521), un module ramenant le signal reçu en bande de base (61) et opérant communément en balayage de spectre 25 et en réception, notamment pour une démodulation du signal reçu. 11. Equipement communicant selon l'une des revendications 9 et 10, comportant une chaîne de réception, avec démodulation, et/ou une chaîne d'émission, avec modulation, caractérisé en ce qu'il comporte, en aval du module de calcul de transformée de Fourier (522), un module d'analyse et d'identification (53) et un module de décision (55; 65) indiquant au moins une bande de fréquences d'opération en démodulation et/ou en modulation. 12. Equipement communicant selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il opère en tant que station de base d'un système de to communication. 13. Equipement communicant selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il opère en tant que terminal d'un système de communication. 14. Système de communication, en contexte de communication cognitive et agile en fréquences, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un équipement communicant selon l'une des revendications 9 à 13, en tant que station de base et/ou en tant que terminal. 15. Produit programme informatique, exécutable à partir d'une mémoire d'un module de balayage de spectre à la réception d'un signal numérique, et comportant des instructions de calcul par transformée de Fourier (13), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des instructions pour faire précéder ledit calcul par transformée de Fourier (13) par un filtrage de mise en forme multiporteuses (12). 16. Composant programmable, caractérisé en ce qu'il comporte une mémoire stockant le produit programme informatique selon la revendication 15.