Brevet FR2894749A1 — publié le 20070615

SYSTEME DE TRANSMISSIONS DE DONNEES A HAUT DEBIT ADAPTE A LA TRANSMISSION SUR VOIE HF UTILISANT DES EMETTEURS-RECEPTEURS STANDARD L'invention concerne notamment un système de transmissions à haut débit adapté à la transmission sur voie haute fréquence ou HF utilisant des émetteurs-récepteurs standards. Le domaine technique concerné est notamment celui de la transmission de données quelconques (fichiers, textes, parole numérisée, etc.) dans la gamme de fréquence HF (fréquences comprises entre 3 MHz et 30 MHz), très populaire auprès des radio-amateurs en raison de sa portée élevée. II existe de nombreux types de modems (modulateurs-démodulateurs) pour la HF. Depuis de nombreuses années, les modems en question se partagent en deux catégories principales : • les modems série dans lesquels le signal à transmettre est une porteuse basse fréquence BF, généralement à 1800 Hz, modulée en général à une vitesse de 2400 bauds, et occupant une bande passante similaire à celle de la voix humaine, à savoir entre 300 et 3400 Hz, • les modems parallèles où une multitude de sous-porteuses régulièrement réparties dans la bande sont modulées à faible vitesse et de façon synchrone. Ce principe est connu sous le nom d'OFDM, abréviation anglo-saxone de 25 Orthogonal Frequency Digital Modem. On peut aussi mentionner le système Mondial Radio Numérique DRM (Digital Radio Mondiale) qui est de type modem parallèle mais qui est destiné à la radio-diffusion et occupe en conséquence des canaux de 9 ou 10 KHz mentionnés ci-dessus. 30 La plupart de ces modems bien que performants présentent les limites suivantes : • Pour les modems en série : o Une dynamique réduite (rapport entre la puissance crête et la puissance moyenne), ce qui est favorable du point de vue du rendement de la transmission, o Une complexité élevée qui croît comme au moins le carré de la durée de la réponse impulsionnelle du canal ; • Pour les modems parallèles : o Une dynamique relativement élevée, nécessitant d'émettre une puissance moyenne bien en dessous de la puissance crête que peut délivrer l'émetteur, 10 o Une faible complexité (ce type de modem était déjà normalisé avant les années 1980, où l'on disposait de moyens de calcul très limités, par exemple l'ANDVT à 39 porteuses et 2400 bauds/secondes. Ces modems présentent notamment comme inconvénient de ne pas 15 pouvoir être utilisés tels quels avec des émetteurs/récepteurs E/R du commerce, notamment pour les raisons suivantes : • si le début de la transmission, synchronisation initiale, n'a pas été reçu, le message complet est perdu, • la distorsion des émetteurs, le plus souvent des push/pull en classe B ou AB 20 fait que le signal émis est entaché d'un bruit intrinsèque qui réduit notablement les performances, • la largeur de bande du signal est telle que les récepteurs ne reçoivent pas la totalité du signal, ce qui ne fait qu'aggraver les choses, • le contrôle automatique de gain ou CAG du récepteur a tendance à réagir 25 très fortement, en particulier après une impulsion du bruit, bruit atmosphérique notamment. Il réduit quasi-instantanément le gain du récepteur à une faible valeur et de ce dernier ne reprend sa valeur initiale qu'après un temps assez long, • enfin, les émetteurs/récepteurs étant adaptés à la voix comportent des 30 systèmes de pré-accentuation, désaccentuation, contrôle automatique de niveau ou ALC (en anglo-saxon automatic level control), qui modifient la forme du signal et rendent la réception encore plus difficile.5 L'invention concerne un système de transmissions de données à haut débit, les données étant transmises sous forme de trames composées d'un préambule et de blocs de données, chaque bloc comprenant une séquence fixe ou probe et des données, le système comportant au moins un émetteur et un récepteur caractérisé en ce que l'émetteur comporte au moins un moyen adapté à générer, pour une trame Tn, une séquence de synchronisation comportant au moins une première probe Si et une deuxième probe Sf définies à partir d'une probe originale SB; du bloc de données Bi, et en ce que les probes Si, Sf ainsi générées ont une autocorrélation sensiblement identique ou identique à celle de la probe originale et en ce que le préambule lui-même formé des probes Si, de symboles intermédiaires et de la probe Sf a lui très bonne fonction d'autocorrélation. On peut utiliser une modulation à 8 états de phase pour les portions fixes des trames. On utilise par exemple une séquence auto-baud choisie parmi n 15 séquences possibles aussi distantes que possible. La première probe Si est par exemple déterminée en appliquant une rotation directe ou inverse de n fois 90 au nième symbole de la probe originale. La deuxième probe Sf peut être déterminée en appliquant une rotation inverse ou directe de n fois 90 au nième symbole de la probe originale. 20 L'objet de l'invention concerne aussi un procédé de transmission de données à haut débit, les données étant transmises sous forme de trames composées d'un préambule et de blocs de données, chaque bloc comprenant une séquence fixe ou probe et des données, caractérisé en ce qu'il comporte au moins 25 les étapes suivantes : pour une trame Tn générer une séquence de synchronisation comportant au moins une première probe Si et une deuxième probe Sf définies à partir d'une probe originale SB; du bloc de données (Bi), et les probes Si, Sf ainsi générées ayant une autocorrélation sensiblement identique à celle de la probe standard et en ce que le préambule lui-même formé des probes Si, de symboles 30 intermédiaires et de la probe Sf a lui très bonne fonction d'autocorrélation. Le procédé comporte par exemple une étape de démodulation où : pour une trame Tn, le dernier bloc de données Bn est démodulé en utilisant la probe SBn_1 du bloc qui le précède et la probe Si de la séquence d'acquisition de la trame suivante, les autres blocs de données sont démodulés en utilisant la probe SBi qui les précèdent et la probe SB;+.1 qui précède le bloc de données suivant. Le système selon l'invention offre notamment les avantages suivants : • l'adaptation à des équipements du commerce, par réduction de la largeur de bande du signal et modification de sa fréquence centrale ; • l'émission par trames indépendantes jointives, chaque trame pouvant être reçue sans que ses voisines le soient ; • l'émission d'une porteuse pure avant tout signal utile pour permettre aux systèmes de régulation de gain à l'émission et à la réception de se stabiliser avant la partie utile du message ; • des trames composées d'une séquence d'acquisition connue, suivie d'une forme d'onde choisie parmi n connues afin de définir le mode de transmission courant (auto-baud), elle-même suivie de p blocs identiques comportant chacun une séquence connue ou probe suivie d'un bloc de données; • la séquence d'acquisition est formée elle-même d'une probe au début, d'une probe à la fin, et d'une partie centrale, le tout étant optimisé pour maximiser la probabilité d'acquisition et minimiser la probabilité de faux accrochage ; • les séquences connues, probes et séquences d'acquisition sont de préférence toutes modulées à 8 états de phase. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : • La figure 1, un exemple de schéma d'émission par trames de durée fixe, voisine d'une demi-seconde, • La figure 2, les représentations de différents types de modulation, • La figure 3, l'intercorrélation d'une séquence connue ou probe, • La figure 4, un exemple du module des trois inter corrélations possibles des séquences connues initiales, finales et standard selon l'invention et la figure 5 le module de l'autocorrélation d'un exemple de séquence, • La figure 6 un exemple de variantes proposées pour la structure d'un message avec et sans données de servitude. L'idée de l'invention consiste notamment à définir un préambule de synchronisation, qui a une durée au moins égale au double de celle des séquences fixes ou probes qui permettent d'estimer le canal de transmission, sachant qu'il n'y a qu'une probe avant chaque bloc de données. Forme de l'onde Le modem utilisé est par exemple un modem de type série, comprenant un émetteur et un récepteur, ce qui permet notamment de maximiser le rendement de l'émetteur. Il comporte notamment un moyen adapté pour mettre en oeuvre les différentes étapes de l'invention, notamment la génération du préambule de synchronisation. Pour l'exemple, la vitesse de modulation est de 1600 bauds, ce qui fait occuper au message une largeur de bande de 2200 Hz, centrée sur une fréquence centrale Fc de 1400 Hz (de 300 à 2500 Hz). En pratique, plus de 99% de la puissance est concentrée entre 500 Hz et 2300 Hz. Chaque émission est, par exemple, précédée de l'envoi d'une porteuse pure d'amplitude bien définie sur la fréquence centrale Fc, ou bien d'une série de symboles aléatoires, d'une durée de 100 à 400ms, afin de permettre aux mécanismes de régulation de gain (émetteur et récepteur) de se stabiliser à une valeur proche de l'optimum. L'émission se fait par trames de durée fixe, de durée voisine d'une demi-seconde par exemple, chaque trame pouvant être reçue indépendamment des autres, ce qui permet d'accrocher une communication en cours, même si on n'a pas détecté le début. La figure 1 représente un exemple de schéma d'émission de plusieurs trames Tn. Sur la figure on a indiqué selon un axe temporel, une première trame Ti comprenant une première partie synchronisation initiale 1, comprenant une probe initiale Si et une probe finale Sf ; une deuxième partie auto-baud 2, une troisième partie 3 comprenant plusieurs blocs Bi. Chaque bloc Bi comprend une probe SB; et des données Di. Pour l'exemple et pour des raisons de simplicité, on prend des trames dont la longueur est multiple de la durée des trames de vocodeurs qui numérisent la voix par paquets de 22.5 ms, puisque le système peut être amené à transmettre de la parole numérisée. On prend, par exemple, une durée de trame de 0.54 seconde, ce qui correspond à la fois à 24 trames vocodeur et 864 symboles à 1600 bauds. Une trame vocodeur de 22.5 ms correspond à 36 symboles à 1600 bauds. On peut donc en principe prendre comme durée de trame n'importe quel multiple de 22.5 ms. Par exemple 0.45 s, soit 20 trames vocodeur. Cependant, comme chaque trame comporte des parties fixes qui ne véhiculent aucune information, il vaut mieux choisir, à performances égales, une trame assez longue pour maximiser le débit utile. Structure des trames Toutes les portions fixes des trames (signaux ne véhiculant pas d'information) utilisent, une modulation à 8 états de phase (8-PSK), comme il est représenté sur les schémas de la figure 2. Ceci présente au moins 3 avantages : 1 ù la variation d'amplitude du signal est relativement faible et comporte peu de 15 passages à l'origine où l'amplificateur de l'émetteur-récepteur présente souvent une distorsion non négligeable ; 2 ù il est beaucoup plus facile de trouver des séquences de n symboles ainsi modulées et ayant de bonnes propriétés d'auto corrélation et d'inter corrélation qu'avec une modulation plus simple, comme avec une modulation binaire (à deux 20 états de phase) : il y a en effet 8n possibilités et non pas seulement 2n possibilités et donc plus de degrés de liberté ; 3 ù les traitements effectués avec ces signaux fixes sont souvent à base de corrélations complexes simples qui reviennent à des multiplications par +1, -1, 0, ou 0.707 qui peut approximé par 181/256. 25 Une trame comporte 3 parties. La première partie 1 comprend par exemple : une séquence de synchronisation initiale de durée Ts (acquisition), fixe et connue, éventuellement choisie dans un jeu de plusieurs séquences ayant de bonnes 30 propriétés d'inter corrélation. Cette séquence sert à la fois à : la détection de présence du message, - la détermination de l'instant d'arrivée du message, - l'estimation initiale du décalage en fréquence du message. 25 Par exemple, 16 séquences de 15 symboles en 8-PSK, ce qui permet de distinguer jusqu'à 16 modes de transmission possibles correspondant à 4 bits d'information. Un exemple de telles séquences (à des rotations et permutations près) est donné ci-dessous (phases des symboles en degrés) : 1 : 315 90 0 90 45 0 270 180 270 90 0 0 225 225 225 2 135 90 180 90 45 180 270 180 90 270 180 0 225 45 45 3 315 90 180 270 225 180 90 0 90 90 0 0 225 225 45 4 : 315 270 180 270 225 0 270 180 90 90 180 180 225 45 225 5 : 135 270 180 90 225 0 270 0 270 90 0 0 45 45 45 6 : 315 270 0 90 225 180 270 0 90 270 180 0 45 225 225 7 : 315 270 180 270 45 0 90 180 270 270 180 0 45 225 45 8 : 315 90 0 90 225 0 90 180 90 270 0 180 45 45 45 9 : 135 270 180 90 45 0 90 0 90 270 0 180 225 225 225 10 : 135 90 180 90 225 180 90 180 270 90 180 180 45 225 225 11 135 270 0 270 225 180 270 180 270 270 0 180 225 225 45 12 : 135 270 0 270 45 180 90 180 90 90 0 0 45 45 225 13 : 315 90 180 270 45 180 270 0 270 270 0 180 45 45 225 14 : 135 90 0 270 225 0 90 0 270 270 180 0 225 45 225 15 : 315 270 0 90 45 180 90 0 270 90 180 180 225 45 45 16 : 135 90 0 270 45 0 270 0 90 90 180 180 45 225 45 (le carré du module de leurs distances mutuelles est 32) On peut aussi avoir des variantes où l'on n'a besoin que de 4 séquences d'auto baud de 8 symboles chacune. L'un des choix possibles (à des rotations et permutations près, tout 30 comme précédemment) est le suivant (nombres complexes de module unité) : A = 1 / 3 B = (2*2^1/z / 3 = (1 - A^2) ^% C = 2 / 3 D = 5 ^ 1/3 / 3 = (1 -C"2) ^ 1/2 1 : {+l, 0} {+1, 0} {+l, 0} {+1, 0} {+1, 0"+l, 0"+l, 0"+l, 0} 2 : { 0,-1} { 0,+1} {+A,+B} {-1, 0} { 0,-1} {-1, 0} {-1, 0}{ 0,+1} 3 : { 0,+11 { 0,-1} {-A,-B} { 0,-1} { 0,+1} {-C,+D} {-C,+D}{-1, 0} 4 : {-1, 0) {-1, 0} {-1, 0} { 0,+1} {-1, 0} {+C,-D} {+C,-D}{ 0,-1} (le carré du module de leurs distances mutuelles est 21 1/3) La troisème partie 3 comprend par exemple : Un ou plusieurs blocs Bi de données comportant chacun : 1 ù une séquence fixe et connue appelée probe de durée Tp, permettant d'évaluer la réponse impulsionnelle de l'ensemble émetteur+canal de transmission+récepteur, la probe est désignée SBi, avec Bi un bloc de données ; l'expérience montre qu'une probe de 3n symboles au moins est le plus souvent suffisante pour estimer une réponse impulsionnelle de n symboles au plus. Par exemple, une probe de 30 symboles modulés en 8-PSK, adaptée à une réponse impulsionnelle globale de 10 symboles, soit 10/1600 = 6.25 ms. 2 ù des symboles de données DBi (pour le bloc Bi) véhiculant de 1 à 4 bits par symbole selon le schéma de modulation courant. Par exemple, 81 symboles pouvant être modulés : à 2 états de phase (BPSK ou en anglo-saxon binary phase shift 25 keying), - ou 4 états de phase ( QPSK ou en anglo-saxon quaternary PSK ), - ou 8 états de phase ( 8-PSK), ou - ou 8(16) états d'amplitude et de phase (8(16)-QAM ou 8(16) states quadrature amplitude modulation , 30 - ou 8Q 16-APSK ( On déduit de cette probe standard ou probe original deux autres probes obtenues de la façon suivante : 1. La première probe est obtenue en appliquant une rotation directe de n fois 90 au nième symbole de la probe originale, et forme le début de la 5 séquence d'acquisition, elle est référencée Si, 180 315 225 180 180 315 0 315 225 180 0 270 0 270 180 180 315 225 225 90 0 45 135 135 315 315 135 225 45 225 2. La deuxième probe est obtenue en appliquant une rotation inverse de n fois 90 au nième symbole de la probe originale, et forme la fin de la 10 séquence d'acquisition, la deuxième probe est référencée Sf. 180 135 225 0 180 135 0 135 225 0 0 90 0 90 180 0 315 45 225 270 0 225 135 315 315 135 135 45 45 45 On montre facilement que les probes ainsi générées ont une auto corrélation identique à celle de la probe originale. 15 Sans sortir du cadre de l'invention, on peut utiliser une rotation inverse pour obtenir la première probe et une rotation directe pour la deuxième probe. La procédure complète de calcul des 3 probes, la probe standard, la première probe Si et la deuxième probe Sf inclut par exemple l'optimisation de l'inter corrélation entre elles. 20 La figure 4 montre le module des trois inter corrélations possibles pour les probes Si, Sf, et S. Enfin, on optimise l'auto corrélation de la séquence de synchronisation initiale par exemple, en ajustant au mieux ses symboles centraux (entre les probes de début et de fin) et la phase de la probe de fin (par pas de 45 ). 25 On minimise ainsi la probabilité de fausse alarme, car, par construction, l'acquisition initiale n'a pratiquement aucune chance de se faire sur une des probes précédant les données proprement dites. Par exemple (72 phases en degrés) : 180 315 225 180 180 315 0 315 225 180 0 270 0 270 180 180 315 225 225 90 0 45 135 135 315 315 135 225 45 225 0 315 180 315 180 0 0 90 315 180 225 90 180 135 225 0 180 135 0 135 225 0 0 90 0 90 180 0 315 45 225 270 0 225 135 315 315 135 135 45 45 45 Le module de l'auto corrélation de cette séquence est en figure 5. Tous les autres blocs de données DBi sont démodulés en utilisant la probe SBi qui les précèdent et la probe SBi+1 qui précède le bloc de données suivant D Bi+1 Données de servitude optionnelles 10 Parmi les symboles de données d'une trame, on peut répartir aussi uniformément que possible des symboles dits de servitude qui véhiculent des informations complémentaires relatives au système, par exemple l'identité de l'émetteur, un bit indiquant la fin de communication, etc. Ces symboles utilisent une modulation à faible nombre d'états (2 ou 4) 15 et le train binaire qui en définit la valeur, est codé avec une forte redondance et soigneusement entrelacé pour obtenir une robustesse nettement supérieure à celle des données utilisateur. Par exemple, parmi les 7x81 symboles de données sont répartis 24 symboles de servitude en QPSK véhiculant 12 bits d'information protégés par un 20 code de Golay (24, 12) répété 2 fois soit au total 48 bits transmis pour 12 bits utiles. On peut bien entendu envisager d'autres possibilités (nombre de bits, codage). Si l'on veut un débit plus élevé, on ne transmet pas les données de servitude, mais on garde l'auto baud, avec des capacités réduites comme 25 mentionné plus haut: 4 modes différents au lieu de 16. 115 On en profite pour raccourcir les probes (ce qui suppose un canal et des émetteurs/récepteurs E/R de qualité suffisante) et allonger les plages de données pour augmenter le débit. Le message a toujours la même structure et comporte donc des trames 5 ainsi constituées : préambule d'acquisition de 72 symboles, auto-baud de 8 symboles, - 7 blocs comportant une probe de 19 symboles et une plage de données de 93 symboles. 10 Total : 72 + 8 + 7 (19 + 93) = 864 symboles comme précédemment. La figure 6 montre les deux variantes proposées (avec et sans données de servitude). On notera que la variante haut débit offre un débit supplémentaire de 20 0/0 de symboles de données pures par seconde par rapport à la variante de base. 15 Modulations à 2 ou 4 états de phase Afin d'éviter les importantes variations d'amplitude du signal émis, la constellation de référence (à 2 ou 4 points) subit une rotation voisine de 90 degrés d'un symbole à l'autre (symboles de données uniquement, les autres étant à 8 états 20 de phase. On peut prendre par exemple une rotation de 37x/8 (67.5 ) qui a l'avantage de présenter une périodicité courte de 16 symboles. 25 REVENDICATIONS 1 - Système de transmissions de données à haut débit, les données étant transmises sous forme de trames composées d'un préambule et de blocs de données, chaque bloc comprenant une séquence fixe ou probe et des données, le système comportant au moins un émetteur et un récepteur caractérisé en ce que l'émetteur comporte au moins un moyen adapté à générer, pour une trame Tn, une séquence de synchronisation (1) comportant au moins une première probe Si et une deuxième probe Sf définies à partir d'une probe originale SB; du bloc de données (Bi), et en ce que les probes Si, Sf ainsi générées ont une autocorrélation sensiblement identique ou identique à celle de la probe originale. 2 - Procédé de transmission de données à haut débit, les données étant transmises sous forme de trames, Tn, composées d'un préambule et de blocs de données, chaque bloc (Bi) comprenant une séquence fixe ou probe et des données, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes ; pour une trame Tn, générer une séquence de synchronisation comportant au moins une première probe Si et une deuxième probe Sf définies à partir d'une probe originale S(Bi) du bloc de données (Bi), les probes Si, Sf ainsi générées ayant une autocorrélation sensiblement identique à celle de la probe standard. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il utilise une modulation à 8 états de phase pour les portions fixes des trames. 4 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte une séquence auto-baud choisie parmi n possibles séquences aussi distantes que 30 possible. 5 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la première probe Si est déterminée en appliquant une rotation directe ou inverse de n fois 90 au nième symbole de la probe originale. 6 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la deuxième probe Sf est déterminée en appliquant une rotation inverse ou directe de n fois 90 au nième symbole de la probe originale. 7 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de démodulation où : • pour une trame Tn, le dernier bloc de données Bn est démodulé en utilisant la probe S(Bn-1) du bloc qui le précède et la probe Si de la séquence 10 d'acquisition de la trame suivante, • les autres blocs de données sont démodulés en utilisant la probe S(Bi) qui les précèdent et la probe S(Bi+1) qui précède le bloc de données suivant. 15