Brevet FR3034938A1 — publié le 20161014

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de transmission d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande. Dans les systèmes de communication ultra large bande ou ULB (Ultra Wide Band en anglais ou UWB), l'information binaire est généralement transmise au moyen de la modulation dite « modulation en position d'impulsions » (PPM ou Pulse-Position Modulation en anglais). Les impulsions sont des créneaux temporels de très courte durée typiquement de l'ordre de la nanoseconde ou de la centaine de picosecondes et par conséquent caractérisées par un spectre de fréquence très large. La modulation en position d'impulsions permet de transmettre sur une liaison point-à-point un symbole de N bits encodé au moyen d'une seule impulsion choisie dans un ensemble de 2N positions temporelles de l'impulsion dans une durée prédéterminée. Ces positions temporelles sont aussi appelées formes temporelles. La modulation en position d'impulsions est largement utilisée dans les systèmes 15 de communication optiques. En effet, contrairement aux systèmes de communication radioélectriques, ces systèmes souffrent peu des interférences ou du phénomène de trajets multiples. Cependant, aussi avantageuse qu'elle puisse être dans le cadre de ces systèmes, la modulation en position d'impulsions souffre cependant de la limitation suivante : les horloges de l'émetteur et du récepteur doivent être idéalement 20 synchrones afin d'assurer une démodulation optimale. Une solution pour résoudre les problèmes liés à l'écart fréquentiel et la dérive temporelle des horloges de l'émetteur et du récepteur consiste à effectuer un encodage différentiel des symboles à transmettre. Cette solution dégrade les performances exprimées en termes de taux d'erreur binaire (Bit Error rate ou BER en anglais) du 25 système. De plus, dans les systèmes de communication radio, la présence additionnelle du phénomène de multi-trajet rend très difficile l'opération de démodulation en raison de la présence dans le signal reçu des répliques de la forme temporelle utilisée pour moduler le symbole reçu. 30 La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé et un dispositif de transmission d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande qui soit peu sensible aux trajets multiples. 3034938 2 A cette fin, selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de transmission d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de : - formation de symboles comportant une pluralité de bits, 5 - sélection, pour chaque symbole formé, d'une combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux parmi un ensemble de combinaisons des au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, - transfert, pour chaque combinaison d'au moins deux impulsions ultra large 10 bande orthogonales deux à deux sélectionnées, d'un signal radio. La présente invention concerne aussi un dispositif de transmission d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le dispositif comporte: - des moyens de formation de symboles comportant une pluralité de bits, - des moyens de sélection, pour chaque symbole formé, d'une combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux parmi un ensemble de combinaisons des au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, - des moyens de transfert, pour chaque combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sélectionnées, d'un signal radio. Ainsi, la présente invention est peu sensible aux trajets multiples. Selon un mode particulier de l'invention, au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sont sélectionnées parmi un ensemble de combinaisons des au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux et pour chaque combinaison d'au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sélectionnées, un signal radio signal radio est transféré. Selon un mode particulier de l'invention, l'ensemble de combinaisons des au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux est obtenu en effectuant des permutations des au moins trois impulsions ultra large bande. Ainsi, les signaux constitués par la permutation d'un jeu d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sont faciles à discriminer, par exemple au moyen d'une batterie de filtres adaptés. 3034938 3 Selon un mode particulier de l'invention, l'ensemble des combinaisons des au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux est obtenu en effectuant des combinaisons linéaires des au moins deux impulsions ultra large bande. Selon un mode particulier de l'invention, chaque impulsion ultra large bande 5 d'indice n est représentée par la formule suivante: /n(t) = P(t)G(t) Avec : P(t) : Polynôme de degré n (Pn(t) = Etiol ax,ntk) où ak,n est un coefficient du polynôme de degré n, k un nombre entier et t est le temps, 2 G (t) : Fonction gaussienne (G (t) = 1 e-2.-2) \ 0- 10 Ainsi, la présente invention, en utilisant une fonction gaussienne, tire avantage du fait que les valeurs prises par les intégrales sont connues. L'implémentation de la présente invention est ainsi simplifiée. Selon un mode particulier de l'invention, les coefficients des polynômes sont obtenus itérativement en déterminant en premier le coefficient du polynôme du plus 15 petit degré, puis en déterminant successivement les coefficients des polynômes de degré supérieur. Ainsi, il est possible créer, de manière simple, un nombre important d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux. Selon un mode particulier de l'invention, le procédé comporte en outre l'étape 20 de sélection d'une période temporelle de transmission du signal radio en fonction du symbole formé. Ainsi, il est possible d'augmenter la taille, en termes de bits, du symbole transmis. Selon un mode particulier de l'invention, la combinaison est une combinaison 25 d'au moins deux des trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux a(t), (t) et y(t), dans laquelle : a(t) = r2 e 20-2 VUo- où K est un coefficient de normalisation, a est l'écart type d'une Gaussienne compris entre 10-10 et 10-9s. e(t) = K t e 2 t:).2 0-) y (t) = K (1 - 2 (-t)2)e 2 tc: 2 2-jr0- 3034938 4 L'invention concerne aussi un procédé de réception d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de : - réception d'un signal radio comportant une combinaison d'au moins deux 5 impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, - sélection d'un symbole composé de bits correspondant à la combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux. L'invention concerne aussi un dispositif de réception d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le 10 dispositif comporte: - des moyens de réception d'un signal radio comportant une combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, - des moyens de sélection d'un symbole composé de bits correspondant à la combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux. 15 En utilisant une impulsion composite formée en concaténant trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, l'autocorrélation du signal constitué de ces impulsions ultra large bande produit un pic dont l'amplitude est trois fois plus importante que celui obtenu avec un signal constitué d'une unique impulsion ultra large bande, améliorant ainsi la qualité de réception. 20 De plus, la démodulation du signal radio reçu est simplifiée par une utilisation de filtres adaptés. L'invention concerne aussi les programmes d'ordinateur stockés sur un support d'informations, lesdits programmes comportant des instructions permettant de mettre en oeuvre les procédés précédemment décrits, lorsqu'ils sont chargés et exécutés par 25 un système informatique. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : 30 la Fig. 1 représente un système de transmission radio ultra large bande de symboles dans lequel la présente invention est implémentée ; les Figs. 2 représentent des exemples d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux utilisées dans la présente invention ; 3034938 5 la Fig. 3 représente un émetteur radio ultra large bande selon la présente invention ; la Fig. 4 représente un récepteur radio ultra large bande selon la présente invention ; 5 la Fig. 5 représente un premier exemple de transmission dans un système radio ultra large bande de symboles par concaténation d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux selon la présente invention ; la Fig. 6 représente un second exemple de transmission dans un système radio ultra large bande de symboles par concaténation d'impulsions ultra large bande 10 orthogonales deux à deux selon la présente invention ; la Fig. 7 représente un algorithme de transmission de symboles selon la présente invention ;la Fig. 8 représente un algorithme de réception de symboles selon la présente invention. 15 La Fig. 1 représente un système de transmission radio ultra large bande de symboles dans lequel la présente invention est implémentée. Le système de transmission radio ultra large bande de séquences binaires représenté dans la Fig. 1 comporte un émetteur 10 et un récepteur 20. Bien entendu le système de transmission peut comporter un nombre plus 20 important d'émetteurs et/ou de récepteurs. Selon la présente invention, le système de transmission radio ultra large bande utilise des combinaisons d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux pour transmettre les symboles. Un exemple d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux est 25 représenté dans les Figs. 2. Les Figs. 2 représentent des exemples d'impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux utilisées dans la présente invention. Selon la présente invention, une impulsion ultra large bande est un signal bref constitué d'au moins une demi-période de sinusoïde multipliée par un signal de 30 pondération. Les axes horizontaux représentent le temps exprimé en nano secondes et les axes verticaux représentent les amplitudes exprimées en volt ou dans une unité de tension prédéterminée. La Fig. 2a représente une impulsion ultra large bande a (t) qui a pour équation : 3034938 6 r2 a(t) = e 22 VUO- où K est un coefficient de normalisation, a est l'écart type d'une Gaussienne compris entre 10-10 et 10-9s. Par exemple, K est égal à 10-9 et a = 0,5 ns. La Fig. 2b représente une impulsion ultra large bande fl(t) qui a pour équation : (t) = K e 2to.2 2 La Fig. 2c représente une impulsion ultra large bande y (t) qui a pour équation : 2 t2 y (t) = 2 a K (1 - 2 (t-) e 20-2 Vit o- 5 Les impulsions ultra large bande a(t), (t) et y(t) sont orthogonales deux à deux. De manière générale, une impulsion ultra large bande d'indice n peut être représentée par la formule suivante: /n(t) = P(t)G(t) Avec : 10 P(t) : Polynôme de degré n (Pn(t) = Etiol ak,ntk) où ak,, est un coefficient du polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande et t est le temps, t2 G (t) : Fonction gaussienne (G (t) = e- 2,2) \ 0- Le produit scalaire Sni,' de deux impulsions ultra large bande est : Sm,n = J1m(t)mn(t)0t In(t)clt = 8111,n 15 Où 6,,,n désigne le symbole de Kronecker : rômn = 0 si m # n b57n,n = 1 si m = n = a_nb+lr, Soit la formule suivante : U = f+c° tne-atbdt n b I où désigne la fonction gamma : +00 r x ftx-ie-tdt 0 Il est à remarquer ici que la présente invention tire avantage du fait que les valeurs prises par les intégrales de la forme +f tn e-atb dt sont connues. 20 Appelons Vn l'intégrale suivante : +00 Vn = tne-atbdt 3034938 7 où a et b sont des constantes, par exemple a = -0-2 et b = 2 Si n est pair alors nous avons : +.0 r2 +.0 r2 n + 1\ V = tn e 0-2 dt = 2Un = 2f tne o- 0-2dt = n+lr ) 2 Sinon : vn o 5 A partir de ce résultat, le produit scalaire SI" peut être calculé itérativement en partant de m = O. Pour m = O: +.0 +.0 = fIo(t) Io(t)dt = f Iê, (t)dt = 1 -c. -00 L II (t)G2(t)dt = f aîu, 271.0_2 e 0-2 dt = 1 -c. +.0 1 r2 . +.° t2 1 nf-00 2 ...0,0 e 0-2 dt = aîoo-T (-2) = 2tro-2 1 a(2, or (-2) a = 2tro-2 , S0,0 aco = Pour m = 1, deux équations sont à écrire : S1,1 = 1 et Scu = 0 = I I1(t) Ii(t)dt = fco (t)dt = 1 toe, (t)G2(t)dt = co (aut + e )2 1 -crt22dt = 1 271.0_2 1 +C° t2 27ro- 2 f (ctî lt2 + 2auao,it + aî1)e-0-2dt = 1 _' +co t2 co 2 at1 1.-co t2 0-2 dt + 2auctoi_ i:co t2 +C° t2 te 0-2 dt + 41 f e 0-2 dt = 2tro-2 -co 3 1 aî lr 00-3 + ar i2 - a = 271-0-2 o,2 2 3 1 o- aî'lr (i) + a2,1 2 (-) = 271- 0 3034938 8 aLT 3 a2 + ct 1(2,1r = 2tro- , + = f 10(t) il(t)dt = o Go +CO +CO 1 t2 to, co P0(t)P1(t)G2(t)dt = f ao,o(aut + ao,i) 2tro-2 e 0-2 dt = 0 +°° t2 +°° t2 1-00 te 0-2 dt + a0,1 f e 0-2 dt = 0 -00 /1 \ ao,ir a = ao,1 = D'où, a1,1 = 231T = +2_P 0- Pour m = 2, trois équations sont à écrire : S2,2 = i, So,2 = O et S1,2 = +co +co S2,2 = f (t) (t)dt = f (t)dt = 1 +00 +00 t2 fco PROG2(t)dt = f (a2,2t2 + a1,2t + a0,2)2 271.10_2 e- 0-2 dt = 1 1 +CO t2 (a2 1-4 _L -2 2 t- + a2 + 2a a t3 + 2a a t2 + 2a1,2a0,2t)e-0-2dt 271.0_2 k. 2,2' ' 1,2 0,2 2,2 1,2 2,2 0,2 =1 1 2tro-2 =1 +CO t2 -Fco t2+°° t2 ,2 + 2 a2,21:10,2 t2 e 0-2 dt + ct(2, 2 f e 0-2 dt = 2tro-2 J t4edt "" (,-,2 1,2 co 5 3 1 a22,2 r (-2) c + (aî,2 + 2a2,2a0,2)T (-) a- + a2r (-2)a = 2tra2 2 5 3 2 1 (-2) + a + 2a a r _ 4 . (12 . _ _2,2 _0,2)_ (-2) a- + aît2r (-2) = 27ra +co S0,2 = f 10(t) (t)dt = -co a1,1 -00 J. t2 (al2t4 + 2a2,2a1,2t3 + (4,2 + 2a2,2a0,2)t2 + 2a1,2a0,2t + a2)e-0-2dt 3034938 9 co 1:00 Po(t)P2(t)G2(t)dt = f+c° -00 acto(a2,2t2 t2 + cti,2t + cto,2) 2710_2 e 0-2 dt = 0 f+. r2 (a2,2t2 + a1,2t + a0,2)e-F2dt = 0 oo +CO t2+c° t2 1. a2,2 - e dt + C10,2 f e 0-2 dt = 0 -. t 2 0- -. 3 1 a2'2r (i) 0-3 + a0'2r (i) a = o 3 1 a2,2/' (i) 0-2 + a0,2/' (i) = 0 +. S1,2 = f 11(t) /2(t)dt = o _. +00 -Fc° 1 r2 fco P1(t)P2(t)G2(t)dt = f (aut + ao,i)(a2,2t2 + atzt + ao,2) 27-(0-2 e- 0-2 dt -. =0 1 +00 271.0_2 _0, (a2,2 ai,it3 + (a2,2a01 + ai,2a1,i)t2 + (a0,2a1,1 + a1,2a0,1)t t2 + a0,2a0,1)e--0-2dt = 0 +CO t2+OE) t2 (a2,2 a0,1 + at2 au) 1. t2 e- 0-2 dt + cto,2a0,1 f-co e 0-2 dt = 0 -. 3 1 i (a2,2 a0,1 + a1,2a1,1)r (i) u3 + a0,2a0'1r a = o 3 1 (a2,2acu ( + ai,2ai,i)r i 0-2 + a0,2a0'1r i = o -±a1,2 27r I' (-3) o-2 = 0 G) G 2 c4,2 = 0 Ainsi 3034938 10 a2,2 = 2n- =+2 ( 5 0-3 U) (1 r 2) Et: 3 2n-r2 (-2) o- a0,2 = = 2 ) Les coefficients des polynômes nécessaires à la génération d'impulsions ultra large bande peuvent ainsi être déterminés. Pour m > 2, il y a m+1 équations à écrire. Une première équation pour exprimer 5 que le produit scalaire de la fonction /in par elle-même qui est égale à un : Sinan = 1 et m équations pour exprimer l'orthogonalité de la fonction /in avec le jeu de fonctions {/k}o REVENDICATIONS1) Procédé de transmission d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de : - formation (E70) de symboles comportant une pluralité de bits, - sélection, (E71) pour chaque symbole formé, d'une combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux parmi un ensemble de combinaisons des au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à 10 deux, - transfert, (E72) pour chaque combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sélectionnées, d'un signal radio. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins trois 15 impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sont sélectionnées parmi un ensemble de combinaisons des au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux et pour chaque combinaison d'au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sélectionnées, un signal radio est transféré. 20 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble des combinaisons des au moins trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux est obtenu en effectuant des permutations des au moins trois impulsions ultra large bande. 25 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble des combinaisons des au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux est obtenu en effectuant des combinaisons linéaires des au moins deux impulsions ultra large bande. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 30 que chaque impulsion ultra large bande d'indice n est représenté par la formule suivante: = P(t)G(t) 3034938 17 Avec : P(t) : Polynôme de degré n (Pn(t) = Etiol ak,ntk) où ak,n est un coefficient du polynôme de degré n, k un nombre entier, n est l'indice de l'impulsion ultra large bande, et t est le temps, -- 5 G (t) : Fonction gaussienne (G (t) = e 2,2). \ 0- 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les coefficients des polynômes sont obtenus itérativement en déterminant en premier le coefficient du polynôme du plus petit degré, puis en déterminant successivement les coefficients des polynômes de degré supérieur. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte en outre l'étape de sélection d'une période temporelle de transmission du signal radio en fonction du symbole formé. 8) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la combinaison est une combinaison d'au moins deux des trois impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux a (t) , (t) et y (t) , dans laquelle : t2 a (t) = e 22 où K est un coefficient de normalisation et a est l'écart type d'une Gaussienne. (t) = K ^ t e :0-22 -jto- r2 y (t) = (1 - 2 ()2) e 20-2 . 2Vn-o- 9) Dispositif de transmission d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le dispositif comporte: - des moyens de formation de symboles comportant une pluralité de bits, - des moyens de sélection, pour chaque symbole formé, d'une combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux parmi un ensemble de combinaisons des au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, t2 3034938 18 - des moyens de transfert, pour chaque combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux sélectionnées, d'un signal radio. 5 10) Procédé de réception d'informations binaires par une liaison radio utilisant une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes de : - réception d'un signal radio comportant une combinaison d'au moins deux 10 impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, - sélection d'un symbole composé de bits correspondant à la combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux. 11) Dispositif de réception d'informations binaires par une liaison radio utilisant 15 une modulation ultra large bande, caractérisé en ce que le dispositif comporte: - des moyens de réception d'un signal radio comportant une combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux, - des moyens de sélection d'un symbole composé de bits correspondant à la combinaison d'au moins deux impulsions ultra large bande orthogonales deux à deux.