Brevet FR2904168A1 — publié le 20080125

Système d'estimation de la qualité de réception d'une transmission numérique L'invention concerne notamment un système permettant d'estimer la qualité de réception d'une transmission numérique. Elle s'applique dans tous les cas où au moins une portion du signal transmis est connue ou peut prendre une ou plusieurs forme(s) connue(s). L'invention concerne le problème d'estimation de la qualité de réception dans le cadre d'une transmission de données de type numérique, et ce de façon indépendante du système de démodulation. Cette estimation de la qualité de réception est une aide appréciable pour l'exploitant du système de transmission, car elle lui permet de choisir à tout instant le mode de transmission le mieux adapté : - si la qualité de transmission se dégrade, il utilisera un mode plus robuste (et donc à plus faible débit), - si au contraire elle s'améliore, il pourra utiliser un mode à plus haut débit donc moins robuste. Cette estimation permet également de vérifier le bon cornportement du système de transmission (procédures radio) en temps réel et dans des conditions opérationnelles non simulées (en expérimentation terrain par exemple). Le signal d'entrée est en général la sortie audio du récepteur, laquelle représente l'entrée du démodulateur. Si le récepteur cornporte une sortie intermédiaire (par exemple une fréquence intermédiaire ou, mieux encore, une sortie sur deux voies en quadrature, le système proposé n'en fonctionnera que mieux. Le train binaire reçu est a priori inconnu par définition, d'autant plus qu'il a subi diverses modifications et transcodages afin de fiabiliser la liaison. La seule information dont on dispose est le type de transmission utilisé, qui, dans la plupart des cas, fait l'objet d'une norme ou d'une documentation interne du constructeur du système. 2904168 2 En d'autres termes, les seules données connues sont les suivantes : - le type de modulation utilisé, - la vitesse de modulation (exprimée en bauds), - la description détaillée de certaines portions du message qui sont fixes et 5 systématiquement présentes dans tout message; ces portions servent généralement à la (re)synchronisation du récepteur et/ou à l'estimation des caractéristiques du canal de transmission afin de rendre la réception possible et/ou à préciser les caractéristiques de la communication en cours (partie souvent désignée sous le vocable d"'auto-baud"). 10 Différents systèmes sont décrits dans l'art antérieur : - ou bien le démodulateur est en mesure de fournir de lui-même une estimation de la qualité de réception, généralement par estimation du rapport signal / bruit en tant que sous-produit du processus de démodulation, - ou bien il ne l'est pas (même si en interne il le fait ou pourrait le faire), 15 auquel cas le système selon l'invention est d'une grande utilité. Habituellement, la mesure de la qualité de réception se fait par envoi d'une porteuse pure et analyse spectrale côté récepteur afin d'estimer, d'une part la puissance de la porteuse (signal), d'autre part la puissance de bruit (de part et d'autre de la porteuse en question). 20 Outre le fait que ce procédé nécessite d'introduire dans les émetteurs/récepteurs des fonctions supplémentaires, ce qui en augmente la complexité, il n'est pas forcément pertinent en ce sens que lors de la vraie transmission, c'est une porteuse modulée qui est transmise et non pas une porteuse pure : 25 -qui subit des distorsions diverses dues aux filtres, aux non-linéarités, aux contrôles automatiques de gain, - qui, pour des raisons connues de l'homme de l'art, doit être émise à une puissance moyenne inférieure à celle de la porteuse citée plus haut. Le système proposé ne nécessite aucune modification des 30 équipements existants: il se contente d'observer leur signal d'entrée pour procéder à sa propre évaluation, et de restituer à l'exploitant les estimations mesurées. Il vient se positionner, par exemple, en sortie du canal de 2904168 3 transmission, avant un démodulateur ou en dérivation permettant de capter le signal à analyser. L'invention concerne un système d'estimation de la qualité d'une transmission de données, (l'entrée du système est la même que le signal 5 d'entrée d'un démodulateur dont on souhaite estimer la qualité de transmission, que ce soit la sortie audio finale ou une sortie intermédiaire si elle est accessible), le format de la communication étant connu et des signaux sont connus, le signal à estimer étant échantillonné à au moins E fois la vitesse de modulation utilisée pour la transmission caractérisé en ce qu'il comporte au 10 moins les éléments suivants : o une mémoire de stockage du signal, o un dispositif de corrélation en temps réel avec une ou plusieurs formes d'ondes connues dépendant du type de communication à estimer, le nombre de corrélateurs est égal au nombre de motifs du signal à 15 détecter, o un dispositif de reconnaissance du numéro de la séquence reconnue, o un corrélateur entre le signal mémorisé et la pème référence reconnue, o un dispositif de détection et d'affinage de la position de synchronisation et ré-échantillonnage du signal mémorisé, si un signal est détecté, 20 o un dispositif d'interpolation générant l'instant où la corrélation est maximale, o un filtre fournissant dans le cas d'une détection de la pème référence, une série de Np échantillons rééchantillonnés en fonction de la position de synchronisation dn. 25 L'invention concerne aussi un procédé permettant d'estimer la qualité d'une transmission de données numériques caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : 1) corréler en temps réel le signal reçu avec au moins une forme d'onde connue 30 et choisie en fonction du type de communication en cours, 2) si un signal est reçu, affiner la position de synchronisation, 3) filtrer le signal afin d'éliminer les interférences entre symboles, 2904168 4 4) filtrer les échantillons reçus et calculer la somme des carrés du module des différences avec les échantillons originaux, 5) convertir le résultat en rapport signal/bruit, 6) comparer le rapport signal/bruit obtenu avec une valeur prédéterminée. Un des avantages de la présente invention est de pouvoir estimer la qualité de réception indépendamment du système de démodulation utilisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 10 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 : o La figure 1, un synoptique des différents éléments mis en oeuvre par le procédé selon l'invention, en supposant que l'on se place dans le cas le plus défavorable où le seul signal disponible est la sortie BF 15 o La figure 2, un détail de la structure des corrélateurs, o La figure 3, la forme du signal après les corrélateurs, o La figure 4, un exemple de valeurs des échantillons de signal interpolé, o La figure 5, une constellation égalisée, et o La figure 6, la forme du signal après égalisation. 20 En résumé, le système et le procédé selon l'invention reposent sur l'idée suivante : on détecte dans le signal reçu des parties connues, généralement par corrélation passive au fil de l'eau . Cette corrélation passive est équivalente au filtrage du signal reçu 25 par son "filtre adapté" (filtre dont la réponse impulsionnelle est le conjugué du signal attendu après inversion temporelle) dont on calcule et renormalise le module de la sortie à chaque instant et compare le résultat à un seuil judicieusement choisi. Une fois la détection effectuée, le système -qui a mémorisé le signal 30 passé- utilise ce signal passé pour procéder, par exemple, aux opérations suivantes : 5 2904168 5 - affinement de la position optimale de démodulation (synchronisation fine) en recherchant, par exemple, par interpolation, la position où la corrélation est maximale, - ré-échantillonnage (ou interpolation) du signal reçu pour disposer 5 d'échantillons de la meilleure qualité possible, - calcul d'un filtre dit "égaliseur" qui améliore la qualité des échantillons en éliminant ce que l'on appelle l'interférence entre symboles" due généralement aux filtres employés et à la présence de trajets multiples, -filtrage du signal par l'égaliseur, 10 - estimation du rapport signal / bruit à partir des échantillons ainsi obtenus, - correction de la valeur obtenue pour obtenir une valeur plus précise du vrai rapport S/B, sachant que l'égaliseur, étant calculé à partir du signal reçu est lui-même "bruité" et introduit un bruit dit "multiplicatif" car il est proportionnel au 15 signal reçu. La figure 1 représente un synoptique d'un système de corrélation selon l'invention. Ce dernier repose, notamment, sur l'utilisation d'un ensemble de corrélateurs qui fournit, le cas échéant, le numéro p du signal de référence 20 détecté, et une série d'échantillons re-synchronisés qui vont servir à l'estimation proprement dite du rapport S/B, Le système comporte, par exemple, les éléments décrits ci-après qui utilisent un signal échantillonné à E fois la vitesse de modulation, E doit être en pratique d'au moins 4 échantillons par symbole pour perdre le moins d'informations 25 possibles : - un dispositif 100 de passage en bande de base connu de l'Homme du métier effectuant les opérations usuelles de transposition du signal à la fréquence 0 et filtrage passe-bas fournissant le signal complexe qui est utilisé dans toute la suite des traitements (uniquement si le récepteur ne fournit pas 30 lui-même les signaux de sortie correspondants), - une mémoire 200 qui permet de stocker suffisamment de signal dans le passé pour pouvoir effectuer les traitements décrits ci-après, 2904168 6 - un ensemble 300 de P corrélateurs si le nombre de motifs à reconnaître est P; les sorties des corrélateurs sont du type binaire (pas de détection ou bien détection), Ces corrélateurs notés 301, 302, ..., 30P sont détaillés à la figure 2. 5 Dans certains cas, on accorde plusieurs corrélateurs sur des versions décalées en fréquence d'un même motif. - un système de sélection 400 du signal reconnu qui détermine le cas échéant quel est le numéro p de la séquence reconnue, - un corrélateur générique 500, capable de ré effectuer la corrélation entre le 10 signal mémorisé dans la mémoire 200 et la pème référence, uniquement à des instants voisins de l'instant de détection, -une mémoire 501 qui stocke les échantillons représentatifs des P références distinctes et fournit la pème référence sur demande, - un dispositif d'interpolation 600 qui détermine à très peu de choses près 15 l'instant exact auquel la corrélation aurait été maximale. II peut par exemple approximer localement le pic de corrélation par une parabole. Si le maximum calculé se trouve à l'échantillon c(n), la position "exacte" de corrélation sera égale à n + dn (-1/2 Revendications 1 û Système d'estimation de la qualité d'une transmission de données, ( l'entrée du système d'estimation est la même que le signal d'entrée d'un démodulateur dont on souhaite estimer la qualité de transmission), le format de la communication étant connu, le signal à estimer étant échantillonné à au moins E fois la vitesse de modulation utilisée pour la transmission caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : o une mémoire de stockage du signal, o un dispositif de corrélation (300) en temps réel avec une ou plusieurs formes d'ondes connues dépendant du type de communication à estimer, le nombre de corrélateurs est égal au nombre de motifs du signal à détecter, o un dispositif (200) de reconnaissance du numéro de la séquence reconnue par le dispositif de corrélation (300), o un corrélateur (500) entre le signal mémorisé et la peine référence reconnue, o un dispositif de détection et d'affinage de la position de synchronisation et ré-échantillonnage du signal mémorisé, si un signal est détecté, o un dispositif d'interpolation (600) générant l'instant où la corrélation est maximale, o un filtre (700) fournissant dans le cas d'une détection de la pème référence, une série de Np échantillons rééchantillonnés en fonction de la position de synchronisation dn. 2 û Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (100) adapté à mettre en forme le signal d'entrée tel qu'un dispositif permettant le passage en bande de base. 3 û Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un corrélateur p (30p) comporte au moins les éléments suivants : 2904168 12 o une ligne à retard à prises (30p1) dont les sorties sont multipliées par les complexes conjugués des échantillons de la séquence attendue par des multiplieurs complexes (30p2), o un sommateur (30p3) pour sommer les sorties des multiplieurs dont on 5 calcule le carré du module de la sortie par un système (30p4), o un système (30p5) d'évaluation de l'énergie totale des échantillons présents dans la ligne à retard par un système classique où l'on soustrait à chaque instant d'échantillonnage le carré du module de l'échantillon sortant et ajoute le carré du module de l'échantillon entrant. 10 o la sortie de l'accumulateur est multipliée par une constante, et la sortie du dispositif (30p4) est comparée au résultat dans le comparateur (30p6) pour décider de la détection ou non de la séquence. 15 4 - Procédé permettant d'estimer la qualité d'une transmission de données numériques caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : 1) corréler en temps réel le signal reçu avec au moins une forme d'onde connue et choisie en fonction du type de communication en cours, 2) si un signal est reçu, affiner la position de synchronisation, 20 3) filtrer le signal afin d'éliminer les interférences entre symboles, 4) filtrer les échantillons reçus et calculer la somme des carrés du module des différences avec les échantillons originaux, 5) convertir le résultat en rapport signal/bruit, 6) comparer le rapport signal/bruit obtenu avec une valeur prédéterminée. 25 5 û Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on recherche la position optimale de démodulation par interpolation. 6 -Procédé selon la revendication 4 en ce que, après l'étape 2) on ré 30 échantillonne le signal mémorisé. 2904168 13 7 ù Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on détermine un filtre égaliseur afin d'améliorer la qualité des échantillons du signal en éliminant l'interférence entre symbole . 5 8 ù Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'après calibration en laboratoire, on établit une correspondance entre le rapport signal/bruit mesuré selon les étapes du procédé et le rapport signal/bruit pour chaque utilisation.