Brevet FR2904166A1 — publié le 20080125

Dispositif de modulation à étalement de spectre pour Transmissions Sous-Marines Discrètes L'objet de l'invention concerne notamment un dispositif permettant 5 de moduler des données transmises dans un milieu de transmission en présence de conditions de propagation difficiles. La transmission de données de type quelconque entre deux correspondants situés dans un milieu de transmission où les conditions de 10 propagation sont difficiles, par exemple, l'eau et à un débit de quelques dizaines de bits par seconde avec une discrétion maximale présente quelques difficultés. Une puissance de calcul réduite au minimum est exigée car le système doit pouvoir fonctionner sur des équipements autonomes fonctionnant sur batteries. 15 Le milieu sous-marin est un milieu présentant un comportement extrêmement complexe pour les ondes acoustiques : ses inhomogénéités (salinité, température, courants...) font que le chemin suivi par les ondes n'est une ligne droite qu'à très courte distance et que ce trajet varie au cours du temps. De plus, les ondes qui arrivent au récepteur peuvent suivre 20 plusieurs trajets avec des délais très différents. Dans la pratique, cela se traduit par l'arrivée au récepteur de nombreuses répliques du signal émis, chacune ayant à un instant donné une amplitude, une phase, un retard et un décalage fréquentiel propre. A ceci il faut ajouter éventuellement un décalage fréquentiel du à 25 la vitesse radiale relative des correspondants (effet Doppler) ainsi qu'un décalage fréquentiel pseudo-périodique du à la houle dans le cas où l'un au moins des correspondants est à la surface. De plus, le système est à bande large : dans les applications pratiques, la largeur de bande du signal émis n'est pas négligeable 30 comparée à la fréquence centrale d'émission. Le décalage Doppler étant 2904166 2 proportionnel à la fréquence, les fréquences basses ont un décalage en fréquence plus faible que les fréquences hautes. Enfin, la vitesse relative de l'émetteur et du récepteur n'étant pas toujours négligeable par rapport à la vitesse du son dans l'eau (environ 1500 m/s) on observe un effet de dilatation ou de contraction du temps selon le signe de la vitesse relative. L'art antérieur décrit différents systèmes de type à étalement de spectre dans lesquels le débit utile est très faible comparé à la bande passante utilisée. Ces systèmes consistent à sur-moduler (étaler) le train binaire utile (à quelques dizaines de bits par seconde) par un autre train binaire beaucoup plus rapide et connu des deux correspondants de telle sorte que sa bande passante soit au moins plusieurs dizaines (sinon centaines) de fois la bande théoriquement nécessaire. Par des méthodes bien connues de corrélation et d'estimation du décalage en fréquence ( cases Doppler ) le récepteur tente de désétaler le signal reçu par le train binaire connu afin d'isoler l'une (ou quelques-unes) des répliques du message ayant la meilleure qualité afin d'en décoder le contenu. L'inconvénient majeur de ce type de systèmes est la complexité des dispositifs de détection initiale (acquisition) dans des conditions de propagation non triviales (nombreux trajets). En effet, chacune des répliques reçues agit comme un brouilleur sur les autres répliques et, si le facteur d'étalement n'est pas très élevé ou le 25 récepteur trop simple, la réception devient problématique voire impossible. Le principe de fonctionnement d'un modem est par exemple décrit dans les demandes de brevet du demandeur N FR 05.11969 "Modem et procédé pour transmettre des données dans un milieu notamment tel que 30 l'air et l'eau", N FR 05.11968 "Procédé et dispositif permettant le suivi de Doppler pour modem à large bande" ou encore N FR 05.11967. 2904166 3 L'idée de l'invention consiste, notamment, à proposer une forme d'onde discrète (difficilement détectable) vis-à-vis de ceux qui n'en sont pas destinataires permettant l'acquisition des messages (synchronisation 5 temporelle et fréquentielle initiales) dans des conditions de propagation difficiles, et un faible rapport signal/bruit. Pour cela, le système proposé est du type "multi-porteuses" encore connu sous les vocables de "modem parallèle" ou encore OFDM ("Orthogonal Frequency Digital Modem"). 10 L'invention concerne un dispositif de modulation de données transmises dans un environnement difficile, le dispositif comprenant au moins un émetteur, caractérisé en ce que l'émetteur comporte au moins les éléments suivants : 15 o Un dispositif (100) adapté à découper l'ensemble des données à transmettre (données utiles) en plusieurs blocs de taille fixe ou sensiblement fixe, o Un moyen (200) adapté à structurer le train binaire formé en mots de m bits, les mots étant en nombre égal à K, 20 o Un codeur (201) de codes en blocs, générant en sortie, à partir des K mots d'entrée N mots, avec N supérieur à K, o Un convertisseur (300) des N mots en m bits en séquences o Un entrelaceur (400) adapté à mémoriser les NM bits et à les restituer dans un désordre choisi, et connu du récepteur o Un modulateur de phase différentielle (500) o Un système (700) d'ajout des porteuses références. L'invention concerne aussi un procédé de modulation (mise en forme) de données dans un environnement difficile caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape où l'on disperse les éléments de message à transmettre sur différentes porteuses. 2904166 4 Le procédé et le dispositif selon l'invention présentent notamment l'avantage d'être simples, car le principe de base consiste, notamment, à chercher une fenêtre temporelle où tous les trajets sont simultanément 5 présents, sans chercher à identifier les dits trajets. D'autres caractéristiques et avantages de la présente 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 10 représentent : o La figure 1, des conditions de réception pour lesquelles le signal peut être démodulé correctement, o La figure 2, un exemple de l'ensemble d'un message, o La figure 3, un synoptique des différentes étapes mises en oeuvre et 15 des moyens mis en oeuvre, et o La figure 4, un schéma donnant la probabilité qu'un mot de m bits soit mal décodé. Avant de détailler les étapes et les moyens mis en oeuvre par 20 l'invention, quelques rappels sur la structure du message sont donnés, à titre d'exemple. Structure du message La transmission de données se fait, par paquets de durée, fixe ou 25 variable, optimisée selon les hypothèses système qui définissent en particulier la portée des émetteurs / récepteurs donc la durée maximale de propagation. L'unité élémentaire de signal est dénommée "symbole" et comprend un "temps de garde" Tg, et un "temps utile" Tu. La durée d'un 30 symbole est donc Ts = Tg + Tu. 2904166 5 Cette disposition permet notamment de démoduler le signal correctement, dès lors que la plage de temps pendant laquelle arrivent les répliques du signal de niveau significatif reste inférieure à Tg, comme le montre la figure 1. 5 L'espacement entre les différentes fréquences est toujours un multiple de 1/Tu pour garantir l"'orthogonalité" des porteuses : lorsque le démodulateur est bien synchronisé (en temps et en fréquence), le signal reçu sur une porteuse donnée est totalement indépendant de celui présent sur les autres porteuses. 10 Chaque paquet de données est structuré comme suit : - une partie initiale destinée à raccrochage" du récepteur et qui permet de définir l'instant d'arrivée du message ainsi que son décalage en fréquence global. Ceci est le "préambule d'acquisition", formé d'une série de symboles connus 15 du récepteur. - une partie véhiculant les données proprement dites pendant laquelle le récepteur doit à la fois ajuster en continu son évaluation du décalage Doppler ainsi que celle de l'instant d'arrivée du message et tenter de démoduler les données reçues. 20 Dans les conditions particulièrement difficiles d'exploitation du système, il s'avère utile de disposer en permanence de signaux de référence qui permettent de suivre l'évolution de la réponse du canal de transmission. Ces références sont des porteuses pures réparties dans toute la bande du signal que tente de suivre le "système de suivi de Doppler" et dont la sortie 25 est exploitée pour corriger le signal reçu avant démodulation. Ceci garantit que, si quelques porteuses sont de faible niveau, il y en aura pratiquement toujours d'autres de niveau suffisant pour compenser. Le suivi de Doppler présente un certain retard compte tenu des dispositifs de lissage / filtrage qu'il comporte : la valeur du Doppler fournie en 30 sortie est relative à une portion de signal se situant dans le passé, avec un retard "fixe" dT. 2904166 6 En conséquence, on dispose au début de chaque paquet d'un certain nombre de symboles de "bourrage" pour être sûr de démoduler le premier symbole utile en disposant d'une valeur de Doppler fiable. De même, la partie utile du message est, elle aussi, suivie de 5 symboles de "bourrage" pour avoir le temps de démoduler les derniers symboles utiles. Ces symboles de bourrage doivent être modulés de façon similaire à celle utilisée pour les autres symboles, quoique l'éventuelle information qu'ils seraient susceptibles de transporter soit totalement ignorée. 10 Par ailleurs, ils rendent le système moins détectable car si l'on se contentait de n'envoyer que la partie utile du message (préambule + données), il faudrait quand même envoyer les porteuses de référence seules en commençant un peu avant le message, et en finissant un peu après, ce qui se traduit par un bruit caractéristique. 15 Les symboles de bourrage font que le signal émis ressemble à du bruit pendant toute la durée de son émission et est donc beaucoup moins détectable. La figure 2 représente un exemple d'ensemble d'un message. 20 Message utile Le procédé selon l'invention concerne notamment la partie du message utile et repose par exemple sur l'utilisation simultanée de : - système de contrôle de parité (appelé couramment CRC, pour "Cyclic Redundancy Check"), 25 - code en blocs de type Reed-Solomon ou similaire, - séquences "orthogonales", -diversité temporelle et fréquentielle obtenue par une forme d'entrelacement, - modulation de phase différentielle à 2 ou 4 états, -"embrouillage" par rotation de phase pseudo-aléatoire connue du (des) 30 seul(s) destinataire(s). 2904166 7 La figure 3 représente le synoptique du système et du procédé selon l'invention. Le système comporte, par exemple, les éléments suivants : - un dispositif 100 adapté à découper le message à transmettre (données utiles) en blocs de taille fixe, 5 - un élément 101 qui complète ce bloc par un CRC destiné à détecter des erreurs non corrigées à la réception, - un "paralléliseur" 200 qui structure le train binaire ainsi formé en mots de m bits, ces mots étant en nombre égal à K, les blocs de taille fixe comportent donc K m bits dont le CRC, 10 un codeur de codes en blocs 201, par exemple du type Reed-Solomon qui, à partir des K mots d'entrée génère en sortie un total de N mots, supérieur à K, la différence étant généralement appelée la "redondance", Ce type de codes a, par exemple, les caractéristiques principales suivantes : 15 - la taille N des mots de code est inférieure à 2m ; par exemple si les mots sont des octets, m vaut 8 et les mots de code ne peuvent dépasser une longueur de 28 - 1 = 255 - le code peut corriger n'importe quelle combinaison d'erreurs tant qu'il n'y en a pas plus que (N - K) / 2. S'il y en a davantage ou bien il lui est impossible 20 de terminer le décodage (non-décodage) ou bien il effectue un faux décodage, c'est à dire qu'il génère des erreurs en plus. D'où l'intérêt du CRC mentionné plus haut qui permet de détecter quasiment à coup sûr d'éventuelles erreurs résiduelles. - une conversion 300 de chacun des N mots de m bits en séquences 25 aussi différentes que possible les unes des autres : C'est là que se produit l'effet d"'étalement de spectre", pour avoir 2m séquences orthogonales, ce qui correspond à toutes les possibilités, le procédé utilise des séquences de longueur M = 2m bits (théorème classique en géométrie : pour avoir P vecteurs orthogonaux, il faut travailler dans un espace à P dimensions au 30 moins). 2904166 8 Il est aussi possible d'utiliser des vecteurs "antipodaux", à savoir tous ceux dont toutes les coordonnées sont les opposées du jeu de vecteurs orthogonaux d'origine. Ce qui fait que l'on peut utiliser des séquences de M = 2m-1 bits, à 5 savoir 2m-1 séquences orthogonales et leurs 2m-1 opposées. - un entrelaceur 400 capable de mémoriser N M bits puis de les restituer dans un désordre soigneusement choisi: il doit permettre de disperser les M bits de chaque séquence le mieux possible dans l'espace temps-fréquence (temps = durée de la transmission d'un bloc, fréquence = ensemble des 10 fréquences modulables du modem, afin que les perturbations qui les affectent soient (quasi) parfaitement décorrélées. En effet, on peut considérer qu'en présence d'au moins quelques trajets de niveaux voisins, l'amplitude du signal reçu sur chaque porteuse suit une statistique en loi de Rayleigh. 15 Or, si une séquence donnée est émise entièrement sur une fréquence donnée, il lui arrive assez fréquemment d'être reçue avec un faible niveau, ce qui fait que toutes les chances soient réunies pour avoir des erreurs à la démodulation. En dispersant tous les bits d'une séquence sur autant de 20 fréquences décorrélées, il se produit un effet de "diversité" qui fait que les bits reçus sur les porteuses de faible niveau sont "compensés" par ceux reçus sur les porteuses de niveau plus élevé. Ce phénomène est d'autant plus efficace que les séquences sont longues, d'où l'intérêt de prendre des mots de longueur m aussi élevée que 25 possible. Et ce d'autant plus que les codes correcteurs peuvent être plus longs, et donc nécessiter moins de redondance pour un niveau de performances donné. - un modulateur de phase différentiel 500 qui peut fonctionner dans deux modes : 2904166 9 - mode biphase où la différence de phase entre deux symboles successifs sur une porteuse donnée peut prendre les valeurs 0 ou 180 selon que le bit à transmettre vaut +1 ou -1, - mode quadriphase où la différence de phase entre deux symboles 5 successifs sur une porteuse donnée peut prendre les valeurs 45 , 135 , -45 ou -135 selon que les deux bits à transmettre successivement valent {+1, +11, {+1, -11, (-1, +11, {-1, -11. Sans sortir du cadre de l'invention, toute autre combinaison ayant les mêmes propriétés, à savoir décider la valeur du premier bit d'après le 10 signe de la partie réelle (imaginaire) du produit conjugué des valeurs reçues, et de la valeur du deuxième bit d'après le signe de la partie imaginaire (réelle) du même produit, peut être utilisé. Ce mode quadriphase est destiné soit à doubler le débit, soit à améliorer encore la diversité en répétant deux fois et à des 15 instants/fréquences distincts deux exemplaires du même bit. Dans ce dernier cas, l'entrelaceur dispose de deux systèmes de sortie des bits à transmettre fonctionnant de concert. - un générateur 600 de séquence d'embrouillage qui délivre à chaque nouveau symbole et à chaque nouvelle porteuse un paquet de 3 bits (par 20 exemple) pour ajouter une rotation de phase pseudo-aléatoire multiple de 45 - un multiplieur complexe 601 qui applique au signal la rotation choisie, - un système 700 d'ajout des porteuses de référence indispensable au suivi du décalage en fréquence du signal reçu. 25 Pour l'étape de conversion 300, le procédé peut utiliser les séquences suivantes : pour m = 5 (16 bits par séquence) est donné ci-dessous : Elles sont connues sous le nom de séquences de Walsh-Hadamard, et sont très faciles à générer. 30 0 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 2 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 2904166 10 3 +1 -1 1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 4 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 5 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 6 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 5 7 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 8 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 9 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 10 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 - 1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 11 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 - 1 10 12 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 13 +1 -1 +1 -1 -1 + 1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 14 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 +1 + 1 -1 -1 15 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 16 -1 -1 -1 -1 - 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 15 17 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 + 1 -1 +1 -1 +1 18 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 19 -1 +1 + 1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 20 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 - 1 -1 +1 +1 +1 +1 21 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 20 22 - 1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 23 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 - 1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 24 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 25 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 26 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 + 1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 25 27 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 - 1 +1 28 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 -1 -1 29 -1 +1 -1 +1 +1 - 1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 30 -1 -1 +1 +1 +1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 -1 - 1 +1 +1 31 -1 +1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 30 Le décodage de ces séquences peut utiliser un algorithme rapide, analogue dans son principe à la FFT, et qui ne comporte que des additions et des soustractions. 2904166 11 La figure 4 donne, en fonction du rapport signal/bruit MOYEN par porteuse, la probabilité qu'un mot (symbole) de m bits soit mal décodé (l'amplitude des porteuses suit strictement la loi de Rayleigh dans cet exemple). 5 Les séquences de 16, 32, 64 et 128 bits correspondent à des mots de m = 5, 6, 7 et 8 bits respectivement. Ceci correspond à des rendements de : 5/16 = 0.31, 6/32 = 0.19, 7/64 = 0.11, 8/128 = 0.063 bits par symbole et par porteuse. 10 Ou, si l'on préfère, à des "facteurs d'étalement" qui en sont les inverses, à savoir : 16/5 = 3.2, 32/6 = 5.3, 64/7 = 9.1, 128/8 = 16. Sachant qu'un code en blocs du type Reed-Solomon 15 s'accommode très bien d'un taux d'erreurs par symboles de quelques pour-cent (p.ex. 5 %), les rapports signal/bruit moyens de fonctionnement peuvent descendre jusqu'à 3 dB, 0 dB, -2 dB et - 4 dB en allongeant les séquences. Le procédé et le système selon l'invention décrite ci-dessus 20 s'appliquent notamment pour des transmissions sous-marines, acoustiques, aériennes, et aussi pour des applications HF, VLF. 25 REVENDICATIONS 1 ù Dispositif de modulation de données transmises dans un environnement difficile, le dispositif comprenant au moins un émetteur, caractérisé en ce que l'émetteur comporte au moins les éléments suivants : o Un dispositif (100) adapté à découper l'ensemble des données à transmettre (données utiles) en plusieurs blocs de taille fixe ou sensiblement fixe, o Un moyen (200) adapté à structurer le train binaire formé en mots de 10 m bits, les mots étant en nombre égal à K, o Un codeur (201) de codes en blocs, générant en sortie, à partir des K mots d'entrée N mots, avec N supérieur à K, o Un convertisseur (300) des N mots en m bits en séquences o Un entrelaceur (400) adapté à mémoriser les NM bits et à les restituer 15 dans un désordre choisi, et connu du récepteur o Un modulateur de phase différentielle (500) o Un système (700) d'ajout des porteuses références. 2 ù Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte 20 o Un générateur de séquence d'embrouillage (600) o Un multiplexeur complexe (601) appliquant au signal la rotation choisie connue du récepteur 3 ù Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un 25 moyen (101) ajoutant un CRC (contrôle d'intégrité des données) aux blocs de taille fixe ou sensiblement fixe. 4 ù Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le codeur génère des codes déterminés de la façon suivante : la taille N des mots de code est 30 inférieure à 2m. 2904166 13 5 û Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le modulateur différentiel (500) est adapté à fonctionner dans les deux modes suivants : - mode biphase où la différence de phase entre deux symboles successifs sur une porteuse donnée peut prendre les valeurs 0 ou 180 selon que le bit 5 à transmettre vaut +1 ou -1 - mode quadriphase où la différence de phase entre deux symboles successifs sur une porteuse donnée peut prendre les valeurs 45 , 135 , -45 ou -135 selon que les deux bits à transmettre successivement valent {+1, +1), {+1, -1), {-1, +1), {-1, -1). 6 û Procédé de modulation (mise en forme) de données dans un environnement difficile caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape où l'on disperse les éléments de message à transmettre sur différentes porteuses. 7 - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : 1) -regrouper les données par paquets, 2) - découper le train binaire obtenu en mots de m bits, 3) - utiliser les mots de m bits en tant que symboles d'information d'un code correcteur d'erreurs par blocs qui, à partir de K mots d'entrée, génère N mots de sortie (N > K), 4) - convertir chaque mot de m bits en sortie du codeur en une séquence de M bits, 5) - disperser du mieux possible tous les bits résultant de l'étape 4 en temps et en fréquence, 6) - moduler selon un procédé connu sous le nom de modulation de phase différentielle fonctionnant sur chaque porteuse. 2904166 14 8 û Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comporte une étape où l'on applique une rotation de phase complémentaire pseudoaléatoire. 5 9 û Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que M égal à 2m-1 avec 2m"1 séquences orthogonales et 2m-1 opposées. 10 û Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'au cours de l'étape 6 on peut au choix moduler en deux ou 4 états de phase pour 10 améliorer les performances. 11 û Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 5 ou du procédé selon l'une des revendications 6 à 10 pour la transmission de données sous-marines acoustiques. 15