Brevet FR2997808A1 — publié le 20140509

MÉTHODE ET DISPOSITIF DE MODULATION NUMÉRIQUE À FAIBLE DENSITÉ DE TRANSITIONS DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale le domaine de la modulation numérique. Elle s'applique plus particulièrement aux systèmes de communication en champ proche, tels que les systèmes RFID (Radio Frequency Identification) ou les systèmes NFC (Near Field Communication). ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les systèmes de communication en champ proche (RFID, NFC) sont très largement répandus dans le grand public. Initialement destinés à transférer de faibles quantités de donnés, ces systèmes requièrent désormais pour certaines nouvelles applications (transfert de fichiers biométriques stockés dans les passeports électroniques, transfert de fichiers d'image stockés dans les dossiers médicaux, etc.) de pouvoir transmettre une quantité importante d'information dans des temps très brefs. Aussi, a-t-il été proposé dans le cadre de la norme ISO 14443 relative aux cartes d'identification sans contact, une évolution des caractéristiques de la couche physique permettant de supporter de très hauts débits (jusqu'à 27.12 Mbits/s). Plus généralement, la norme ISO 14443 définit les caractéristiques auxquelles doit se conformer une communication bidirectionnelle entre un lecteur sans contact, encore dénommé PCD (Proximity Coupling Device) et un transpondeur passif ou PICC (Passive Inductive Coupled Card). Sur la voie montante, le transpondeur passif transmet les informations en modulant la phase d'une porteuse de fréquence F., la modulation de phase étant réalisée en connectant et déconnectant simplement l'antenne à une charge. Les bits à transmettre font l'objet d'une modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying), les symboles BPSK modulant la porteuse à une fréquence de modulation Fs= Fss/n où n est un entier. Réciproquement, sur la voie descendante, il est prévu dans la norme en question, que le lecteur sans contact, puisse transmettre à haut débit (6.8 Mbitsis à 27.12 Mbits/s) à l'aide d'une modulation M-PSK. Plus précisément, les bits sont convertis en des symboles d'un alphabet de modulation M-PSK, chaque symbole étant transmis pendant un temps symbole Ts =1/Fs. Le degré de modulation, c'est-à-dire le cardinal de l'alphabet de modulation, ainsi que le temps symbole donnent le bit rate. Actuellement, le degré de modulation M est fixé à 2, un bit égal à 0 étant transmis avec une phase --(1) /2 et un bit égal à 1 avec une phase (1)/ 2 où 41, est un angle inférieur à /2. La valeur de (I) est choisie de préférence relativement faible pour minimiser les discontinuités du signal, par exemple (13= Le signal transmis par le lecteur peut s'exprimer sous la forme : Acos(2.71-F, + m(t)+ vo) (1) où A, F's et ça() sont respectivement l'amplitude, la fréquence et la phase à l'origine de la porteuse et où m(t) est le terme de modulation de phase donné par : m(t)=Itg(t- kTs) (2) OÙ (Dk est la phase du kième symbole PSK et g(t) est une fonction de mise en forme par exemple la fonction créneau définie par : g(t)=1 si 0_t Les échantillons ainsi obtenus font ensuite l'objet d'une démodulation différentielle de phase. De manière équivalente, la démodulation différentielle de phase peut être réalisée en analogique et le résultat échantillonné est converti en numérique. Dans tous les cas, le démodulateur différentiel fournit la différence de phase entre deux échantillons consécutifs du signal en bande de base : yk= arg(rkrk* 1) (5) où arg(z) représente la phase du nombre complexe z et.* est la conjugaison de phase. En absence d'interférence intersymbole et de bruit sur le canal de transmission, la phase yk en sortie du démodulateur différentiel n'est autre que : Yk (Fek (I)k-1 (6) Ainsi, si l'on connaît la phase de départ on peut en déduire les phases (1)k et donc les bits transmis. Lorsque les bits d'information sont constitués par une séquence alternée de 0 et de 1, les symboles de modulation forment une série de valeurs complexes alternant entre ee'12 et e-jc2 autrement dit la sinusoïde modulée par les symboles de modulation présente un saut de phase de (ID à chaque période symbole Ts. Il en résulte que le signal modulé peut être de spectre relativement large et, par conséquent, sujet à atténuation de ses hautes fréquences, étant donné la bande passante limitée du canal de transmission (incluant le démodulateur différentiel). L'atténuation des hautes fréquences du signal conduit à une augmentation du taux d'erreur binaire (BER) au niveau du récepteur. Le but de la présente invention est de proposer une méthode de codage et de modulation, par exemple pour l'émetteur d'un lecteur PCD, qui permette d'obtenir un spectre de signal modulé plus étroit que dans l'art antérieur, ce pour un même débit binaire de transmission. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie comme une méthode de modulation numérique transformant une séquence de mots d'entrée ( w), constitués chacun de rr symboles d'information, en une séquence de symboles de modulation M-PSK où M = 2177, ladite méthode comprenant : - une étape de transcodage dans laquelle chaque mot d'entrée (ii) est codé en un mot de code ( Wk) de longueur variable au moyen d'une table de transcodage, la table de transcodage codant au moins un premier mot d'entrée, induisant un premier nombre de transitions de phase dans ladite séquence de symboles de modulation, en un second mot de taille supérieure à m, induisant un second nombre de transitions de phase inférieur au dit premier nombre dans ladite séquence ; - une étape de concaténation des mots de code ( Wk) obtenus à l'étape précédente pour fournir une séquence de mots de sortie ( Wk), chaque mot de sortie étant constitué de m symboles d'information ; - une modulation M-PSK fournissant pour chaque mot de sortie de la séquence un symbole M-PSK correspondant. Selon une première variante, la table de transcodage fournit un mot de code Wk pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code Wk dépendant du mot d'entrée en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots d'entrée du transcodeur et les K' derniers mots de code fournis par le transcodeur, où K et K' sont des entiers supérieurs ou égaux à 1. Selon une seconde variante, la table de transcodage fournit un mot de code Wk pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code Wk dépendant du mot d'entrée en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots d'entrée du transcodeur, où K est un entier supérieur ou égal à 1. Typiquement, les symboles d'information sont constitués chacun par un bit et les mots d'entrée ainsi que les mots de sortie sont alors binaires, et M = 2 . Avantageusement, un mot binaire d'entrée wk induisant dans la séquence de symboles de modulation ,i/k = (K+1)m-1 transitions de phase est codé en un mot lek de taille m+1, dont tous les bits ont la même valeur. Selon un premier exemple de réalisation, K=1, m=1, et la table de transcodage est donnée par : Wk-1 wk w' 0 0 0 1 0 11 0 1 00 1 1 1 Selon un second exemple de réalisation, K=1, m= et la table de transcodage est donnée par : Wk Wk 0 0 1 0 0 O 1 11 1 1 1 Selon un troisième exemple de réalisation, K =1, m= 1, et la table de transcodage est donnée par : Wk-1 Wk k 0 0 0 1 0 00 0 1 1 1 1 1 15 L'étape de modulation 2-PSK transforme par exemple un bit d'une première valeur (1) -1- + 1- en e 2 et un bit d'une seconde valeur, inverse de la première valeur en e 2 où (1) est un angle inférieur à 7-t- / 2. L'invention concerne également un modulateur numérique transformant une 20 séquence de mots d'entrée ( wk ), constitués chacun de symboles d'information, en une séquence de symboles de modulation M-PSK où M =-2m, ledit modulateur comprenant : - un transcodeur dans lequel chaque mot d'entrée est codé en un mot de code de longueur variable au moyen d'une table de transcodage stockée au sein du transcodeur, la table de transcodage codant au moins un premier mot, induisant un premier nombre 25 de transitions de phase dans ladite séquence de symboles de modulation, en un second mot de taille supérieure à rn induisant un second nombre de transitions de phase inférieur au dit premier nombre dans ladite séquence ; - un registre FIFO adapté à concaténer des mots de code obtenus à l'étape précédente pour fournir une séquence de mots de sortie ( wk"), chaque mot de sortie 10 étant constitué de rn symboles d'information; - un modulateur M-PSK fournissant pour chaque mot de sortie un symbole M-PSK correspondant. Selon un première variante, la table de transcodage fournit un mot de code Wk pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code Wk dépendant du mot binaire en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots d'entrée du transcodeur et les K' derniers mots de code fournis par le transcodeur, où K et K' sont des entiers supérieurs ou égaux à 1. Selon une seconde variante, la table de transcodage fournit un mot de code Wk pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code Wk dépendant du mot binaire en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots binaires en entrée du transcodeur, où K est un entier supérieur ou égal à 1. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La Fig. 1 représente de manière schématique un dispositif de modulation numérique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 2A représente un premier exemple de table de transcodage pour le dispositif de modulation numérique de la Fig.1, lorsque les mots d'entrée sont de 1 bit ; La Fig. 2B représente un second exemple de table de transcodage pour le dispositif de modulation numérique de la Fig. 1 lorsque les mots d'entrée sont de 1 bit ; La Fig. 2C représente un troisième exemple de table de transcodage pour le dispositif de modulation numérique de la Fig. 1 lorsque les mots d'entrée sont de 1 bit ; La Fig. 3A représente un quatrième exemple de table de transcodage pour le dispositif de modulation numérique de la Fig. 1 lorsque les mots d'entrée sont de 2 bits ; La Fig. 3B représente un cinquième exemple de table de transcodage pour le dispositif de modulation numérique de la Fig. 1, lorsque les mots d'entrée sont de 2 bits. La Fig. 4 représente de manière schématique un dispositif de modulation numérique selon un second mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 5 représente un sixième exemple de table de transcodage pour le dispositif de modulation numérique de la Fig. 4. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Nous considérerons dans la suite un émetteur, par exemple l'émetteur d'un lecteur PCD, adapté à transmettre une information se présentant sous la forme de mots de m symboles d'information. La transmission peut se faire par paquets, chaque paquet comprenant un entête suivi d'une charge utile, la charge utile étant constituée d'une séquence de rn symboles d'informations. Chaque symbole d'information est mappé sur un symbole de modulation M-PSK OU M = 2m. Dans le cas particulier où les symboles d'information sont des bits, chaque valeur de bit est mappée sur un symbole de modulation 2-PSK, par exemple le bit 0 est mappé (13 cr^ -1- +J- sur le symbole e 2 et le bit 1 sur le symbole e 2 . Les symboles de modulation ainsi obtenus sont utilisés pour moduler une porteuse à la fréquence Ç. L'émetteur transmet sur le canal de transmission, le signal obtenu par modulation de la porteuse, éventuellement après translation en fréquence. La transformation des mots de rn symboles d'information en symboles de modulation M-PSK est effectuée par un modulateur numérique selon l'invention. Pour simplifier la présentation, mais sans préjudice de généralisation, nous envisagerons plus particulièrement dans le site le cas où ces symboles d'information sont des bits. Toutefois, de manière générale, l'homme du métier comprendra que ces symboles d'information peuvent être constitués par un ou plusieurs bits. La Fig. 1 représente un dispositif de modulation numérique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce système de modulation numérique, 100, comprend un transcodeur, 110, transformant les mots de m symboles d'information en mots de longueur variable selon une table de transcodage T décrite plus loin. Le transcodeur fonctionne comme une machine à états finis, le mot fourni en sortie à chaque période de codage k dépendant de l'état du transcodeur et du mot présent à son entrée. Plus précisément, le transcodeur transforme un mot en entrée wk constitué de m symboles d'information en un mot tek de longueur variable, tel que : Wk= F(wklek) (7) où ek désigne l'état du transcodeur à l'instant k et F(wk ek) est la réponse du transcodeur au mot wk lorsqu'il est dans l'état ek . La fonction F est définie par une table de transcodage T stockée dans le transcodeur. De manière générale l'état ek peut dépendre des K mots précédents wk_1,..., k-K' Les mots de longueur variable, Wk, sont stockés les uns à la suite des autres dans un registre FIFO First In First Out), 120. Autrement dit, les mots sont concaténés de manière à former une suite de symboles d'information dans le registre 120. De manière générale, le registre FIFO fournit un mot de rn symboles d'information, chaque symbole d'information étant ensuite transformé en un symbole M- PSK par le modulateur 130. On comprendra que le registre FIFO permet de passer d'une séquence de mots de longueur variable à une séquence de mots de longueur fixe égale à Dans le cas où les symboles d'information sont des bits, le registre FIFO fournit un mot de m bits, tek, à chaque période de modulation, chacun des bits de W'k étant ensuite transformé en un symbole 2-PSK par le modulateur binaire à symbole 130. Dans ce cas, Toute transition binaire d'un bit 1 à un bit 0 ou inversement d'un bit 0 à un bit 1 se traduit par un saut de phase en sortie. Lorsque ces sauts de phase sont fréquents, le spectre du signal modulé est relativement large. L'idée à la base de la présente invention est de réduire la densité de transitions de phase en sortie du modulateur binaire à symbole 130 grâce à un codage de longueur variable. Plus précisément, le transcodeur transforme le mot wk en un mot W k , tel que la séquence de K +1 mots : k = W k (8) donne en sortie du modulateur un nombre de transitions de phase plus faible que celui la séquence originale : V =WW W (9) k k k-K La Fig. 2A donne un premier exemple de table de transcodage lorsque K----1 et M=1, autrement dit lorsque les mots se réduisent à un seul bit et l'état du transcodeur ne dépend que du bit précédent. Dans cet exemple, on voit que les bits 0 et 1 sont laissés invariants si le bit précédent est de même valeur que le bit courant (2 premières lignes de la table) alors qu'une transition binaire 0 ->1 (resp. 1-->0) se traduit par un mot de code de longueur 2, soit 00 si le bit précédent était 0 et 11 si le précédent était 1 (cf. les 2ème et 3ème lignes de la table). Le nombre de transitions au sein de la séquence v'k est donc ici nul dans tous les cas. Ainsi, par exemple, la séquence de bits 0101 en entrée du transcodeur se traduit elle en sortie par une séquence 0001100. La sortie du modulateur 130 est donnée par la cD cD (1) cl) +1--.1- -1- séquence de symboles e 2,e 2,e 2,e 2,e 2,e 2,e 2 à la fréquence 1/7-s, alors (31, j +j qu'en absence de transcodage, cette séquence aurait été e 2 , e2 ,e '2,e+j2 à la même fréquence. On comprendra que la densité de transitions de phase par unité de temps est plus faible et que par conséquent le spectre du signal modulé présente une largeur de bande réduite. Un second exemple de table de transcodage est donné par la Fig. 2B, pour K = 1 et m=1. Dans cet exemple, seule la transition 0 --> 1 se traduit par un mot de code de longueur 2, ici 11 mais 00 aurait également pu convenir (ligne 3 de la table). Le transcodage laisse le bit wk invariant pour les autres séquences vk. Un troisième exemple de table de transcodage est donné par la Fig. 2C, pour K=1 et m= 1. Dans cet exemple, seule la transition 1-> 0 est remplacée par un mot de longueur 2 sans transition interne (ici 00 mais 11 aurait également pu convenir) (ligne 3 de la table). Le transcodage laisse le bit wk invariant pour les autres séquences vk. On comprendra que les tables de transcodage données dans les second et troisième exemples permettent d'obtenir une vitesse de modulation plus élevée que dans le premier exemple, au prix toutefois d'un spectre de signal modulé plus large. La Fig. 3A donne un quatrième exemple de table de transcodage lorsque K =1 et m= 2. On a représenté en colonne de gauche le mot précédent, wk_i, déterminant l'état ek du transcodeur et en colonne de gauche, le mot courant à coder, wk, chaque ligne correspondant à une séquence vk différente. On remarque que deux de ces séquences comportent 3 transitions (lignes 5 et 11). Les mots wk correspondant à ces séquences sont codés en des mots de code de longueur variable, Wk, à savoir 111 et 000. On remarque également que six de ces séquences comportent 2 transitions (lignes 3, 5, 7, 10, 12, 14). Pour certaines de ces séquences, les mots wk sont codés en des mots de longueur variable (lignes 3, 5, 10, 14), les autres restant invariants par le transcodage. La Fig. 3B donne un cinquième exemple de table de transcodage lorsque K=1 et m= 2. Ce cinquième exemple se distingue du précédent en ce que seuls les mots wk conduisant à des séquences vk ayant le nombre maximal de transitions (3) sont codés par des mots w'k de longueur 3, les autres mots restant inchangés dans le transcodage. On comprend que le cinquième exemple permet d'obtenir une vitesse de modulation plus élevée que dans le quatrième exemple, au prix toutefois d'un spectre de signal modulé plus large. De manière plus générale, un transcodeur dont les mots d'entrée sont de taille m et dont l'état ek à l'instant dépend des K mots précédents Wk 1 ,-- 'k-K comprendra une table de transcodage T dans laquelle au moins un mot wk conduisant à une séquence vk = wkwk_1...wk_K présentant un nombre iuk de transitions binaire est codé en un mot W k tel que la séquence v'k =Wk présente un nombre de transitions Wk-1"'Wk-K binaires De préférence, la table de transcodage code un mot wk conduisant à une séquence vk = présentant un nombre maximal juk = (K +1)m-1 de WkWk 1"--Wk-K transitions est codé en un mot W k de taille m+1, dont tous les bits ont la même valeur. Le cas échéant, d'autres mots wk donnant lieu à une séquence vk WkWk-1*--Wk-K présentant un nombre de transitions égal à (K +1)m- 2 sont codés par des mots w'k de taille m+1 tels que la séquence v'kWk présente un nombre de transitions Wk-l'--Wk-K inférieur à (K+1)m-2. D'une manière encore plus générale, lorsque les mots d'entrée wk sont constitués de m symboles d'information et dont l'état ek du transcodeur à l'instant k dépend des K mots précédents wk4(, le transcodeur comprend une table de transcodage T dans laquelle au moins un mot wk conduisant à une séquence vk = Wk Wk-I ' - -Wk-K présentant un nombre juk de transitions de symboles d'information est codé en un mot w'k tel que la séquence i/k = Wk wk-1-- Wk-K présente un nombre de transitions de symboles d'information ,u' k REVENDICATIONS1. Méthode de modulation numérique transformant une séquence de mots d'entrée ( wk), constitués chacun de m symboles d'information, en une séquence de symboles de modulation M-PSK où M = 2m, caractérisée en ce qu'elle comprend : - une étape de transcodage dans laquelle chaque mot d'entrée (Wk) est codé en un mot de code ( Wk) de longueur variable au moyen d'une table de transcodage, la table de transcodage codant au moins un premier mot d'entrée, induisant un premier nombre de transitions de phase dans ladite séquence de symboles de modulation, en un second mot de taille supérieure à rn, induisant un second nombre de transitions de phase inférieur au dit premier nombre dans ladite séquence ; - une étape de concaténation des mots de code ( Wk) obtenus à l'étape précédente pour fournir une séquence de mots de sortie ( Wk), chaque mot de sortie étant constitué de rn symboles d'information; - une modulation M-PSK fournissant pour chaque mot de sortie de la séquence un symbole M-PSK correspondant. 2. Méthode de modulation numérique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la table de transcodage fournit un mot de code Wk pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code Wk dépendant du mot d'entrée en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots d'entrée du transcodeur et les K' derniers mots de code fournis par le transcodeur, où K et K' sont des entiers supérieurs ou égaux à 1 3. Méthode de modulation numérique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la table de transcodage fournit un mot de code lek pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code Wk dépendant du mot d'entrée en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots d'entrée dutranscodeur, où K est un entier supérieur ou égal à 1. 4. Méthode de modulation numérique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les symboles d'information sont constitués chacun par un bit et que les mots d'entrée ainsi que les mots de sortie sont binaires, et que M = 2. 5. Méthode de modulation numérique selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un mot binaire d'entrée wk induisant dans la séquence de symboles de modulation ,uk - (K +1)m-1 transitions de phase est codé en un mot W k de taille m+1, dont tous les bits ont la même valeur. 6. Méthode de modulation numérique selon la revendication 4, caractérisée en ce que K =1 et M=1, la table de transcodage étant donnée par : Wk -1 Wk w'k 0 0 0 1 0 11 0 1 00 1 1 1 20 7. Méthode de modulation numérique selon la revendication 4, caractérisée en ce que K =1 et M=1, la table de transcodage étant donnée par : wk W w' 0 0 0 1 0 0 0 1 11 1 1 1 8. Méthode de modulation numérique selon la revendication 4, caractérisée en ce que K=1 et M=1, la table de transcodage étant donnée par : 25 Wk WIk 0 0 0 1 0 00 0 1 1 1 1 1 9. Méthode de modulation numérique selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que l'étape de modulation 2-PSK transforme un bit d'une cl) première valeur en e 2 et un bit d'une seconde valeur, inverse de la première valeur en , e 2 ou (I) est un angle inférieur à 7-c /2. 10, Modulateur numérique transformant une séquence de mots d'entrée ( wk ), constitués chacun de m symboles d'information, en une séquence de symboles de modulation M-PSK où M = 2m, caractérisé en ce qu'il comprend : - un transcodeur (110) dans lequel chaque mot d'entrée est codé en un mot de code de longueur variable au moyen d'une table de transcodage stockée au sein du transcodeur, la table de transcodage codant au moins un premier mot, induisant un premier nombre de transitions de phase dans ladite séquence de symboles de modulation, en un second mot de taille supérieure à m induisant un second nombre de transitions de phase inférieur au dit premier nombre dans ladite séquence ; - un registre FIFO (120) adapté à concaténer des mots de code obtenus à l'étape précédente pour fournir une séquence de mots de sortie ( Wk), chaque mot de sortie étant constitué de in symboles d'information; - un modulateur M-PSK (130) fournissant pour chaque mot de sortie un symbole M-PSK correspondant. 11. Modulateur numérique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la table de transcodage fournit un mot de code W k pour chaque mot d'entrée wk, le motde code Wk dépendant du mot binaire en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots d'entrée du transcodeur et les K' derniers mots de code fournis par le transcodeur, où K et K' sont des entiers supérieurs ou égaux à 1. 12. Modulateur numérique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la table de transcodage fournit un mot de code Wk pour chaque mot d'entrée wk, le mot de code lek dépendant du mot binaire en question ainsi que de l'état du transcodeur, l'état du transcodeur étant déterminé par les K derniers mots binaires en entrée du transcodeur, où K est un entier supérieur ou égal à 1.