Brevet FR3025386A1 — publié le 20160304

Procédé de génération d'un banc de filtre pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue et procédé de réception dudit signal L'invention concerne le domaine des systèmes de communication numérique par voie radio et plus précisément les systèmes qui exploitent, pour mettre en forme le signal à émettre, une modulation à phase continue. Dans un système de communications numérique, l'utilisation de modulations à amplitude constante, telles que des modulations à phase continue, est préférée car ces dernières permettent de maximiser la portée du signal transmis. En effet, les modulations à enveloppe constante présentent l'intérêt de permettre au signal émis d'avoir une puissance quasi constante. La continuité de la phase permet au signal d'occuper une bande passante moins importante, et l'enveloppe constante du signal permet de mieux résister aux non linéarités du canal de transmission et de permettre aux amplificateurs du système de fonctionner proche de leur point de saturation. Un signal modulé à phase continue est également désigné signal CPM de l'abbréviation anglo-saxonne « Continued Phase Modulation ». Les propriétés avantageuses des modulations à phase continue apparaissent plus fortement lorsque l'ordre de modulation utilisé est élevé ou lorsque la longueur de la mémoire de la modulation est élevée. Cependant, cela entraine une complexité d'implémentation importante pour le récepteur. Pour pallier cet inconvénient, il est connu de mettre en oeuvre une décomposition du signal modulé à phase continue sous la forme d'une somme de signaux modulés en amplitude, chaque composante de la forme étant définie à partir des paramètres de la modulation et pondérée par un pseudo-symbole déterminé à partir des symboles à émettre. Le principe d'une telle décomposition est présenté dans l'article [1]. Selon 3025386 2 l'enseignement de ce document, il est connu d'utiliser, pour démoduler un signal modulé à phase continue, la structure du récepteur décrit à la figure 1. Un tel récepteur 100 comporte un banc de filtres 101,102,...10D pour filtrer le signal reçu SR. Les filtres du banc sont définis chacun par une 5 réponse temporelle Co(4)...CD_1(4) adaptée à la décomposition sous forme de composantes modulées en amplitude selon [1]. Le récepteur 100 comporte également des échantillonneurs 111,112,...11D pour échantillonner les signaux filtrés et un démodulateur 120 qui exécute un algorithme basé sur un treillis, par exemple un algorithme de Viterbi ou un 10 algorithme BCJR (Baht, Cocke, Jelinek and Raviv) ou tout autre algorithme du même type. Le démodulateur 120 détermine, à partir des symboles filtrés, le symbole émis le plus vraisemblable. Les états et les métriques utilisés par le treillis sont développés dans le document [2]. 15 Le récepteur 100 décrit à la figure 1 présente cependant plusieurs inconvénients. En premier lieu, les composantes de la décomposition du signal en somme de signaux modulés en amplitude ne sont pas orthogonales entre elles. Donc les filtres 101,102,...10D adaptés à ces composantes ne sont 20 pas non plus orthogonaux ce qui engendre une interférence inter composante sur le signal démodulé SD. En second lieu, les composantes précitées ont une durée qui peut s'étaler au delà de la durée d'un symbole à émettre. Ainsi, sur chaque période symbole, les contributions de plusieurs symboles peuvent interférer, 25 les filtres du récepteur 100 introduisent donc de l'interférence entre symboles. En troisième lieu, les échantillons du bruit en sortie des filtres 101,102,...10D dont la durée est supérieure à la durée d'un symbole sont corrélés. Le bruit en sortie du banc de filtres ne peut donc pas être considéré 30 comme un bruit blanc Gaussien. Les métriques de branche du treillis utilisées dans l'algorithme de Viterbi ou dans l'algorithme BCJR ne sont alors 3025386 3 plus exactes car celles-ci sont construites sur l'hypothèse stricte d'un bruit blanc additif gaussien. Les solutions connues permettant de résoudre les trois inconvénients précités consistent le plus souvent soit à négliger leurs effets ou à introduire 5 dans le récepteur des solutions d'égalisation du signal et/ou des filtres blanchisseurs de bruit. L'ajout de ces solutions augmente considérablement la complexité de mise en oeuvre du récepteur. L'invention propose une nouvelle structure de récepteur pour 10 démoduler un signal modulé à phase continue qui permette de résoudre les inconvénients du récepteur décrit dans le document [2]. En particulier, l'invention permet de supprimer l'interférence entre symboles à la réception d'un signal CPM. L'invention vise à permettre la réception de signaux qui ont été émis 15 sous la forme d'une somme de signaux modulés en amplitude tel que cela est décrit dans [1]. L'invention a pour objet un procédé de génération d'un banc de filtre pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue, 20 ledit signal modulé pouvant être décomposé sous la forme d'une somme d'une pluralité de signaux modulés en amplitude, chaque signal modulé en amplitude pouvant être exprimé sous la forme du produit entre un pseudosymbole complexe et une composante temporelle de forme d'onde prédéfinie en fonction des paramètres de la modulation, ledit procédé comprenant les 25 étapes suivantes : Evaluer, sur une durée T égale à la durée d'un symbole, toutes les formes d'ondes possibles du signal à partir des paramètres de la modulation à phase continue et de la décomposition sous la forme d'une somme d'une pluralité de signaux modulés en amplitude, 30 l'évaluation consistant au moins à déterminer toutes les valeurs possibles des pseudo-symboles complexes, 3025386 4 Retenir toutes les formes d'ondes évaluées qui sont différentes entre elles, Construire un banc de filtre composé d'une pluralité de filtres dont les réponses temporelles sont égales aux formes d'ondes 5 retenues, limitées à une durée égale à la durée d'un symbole. Selon un aspect particulier de l'invention, l'évaluation des formes d'ondes possibles du signal est réalisée à l'aide d'une représentation des états du signal sous forme d'un treillis, en calculant, sur toutes les transitions 10 d'une section quelconque du treillis, la valeur desdits pseudo-symboles complexes pour l'ensemble des composantes temporelles considérées, un état du treillis associé à un instant temporel d'indice n étant défini par les L symboles d'information du signal à émettre antérieurs à l'instant n et le Lième pseudo-symbole associé à la première composante temporelle, L étant 15 la longueur de la mémoire de la modulation à phase continue. Selon un aspect particulier de l'invention, le procédé selon l'invention comprend, pour chaque transition d'une section quelconque du treillis, l'évaluation du signal calculée à partir des composantes temporelles de sa décomposition et des valeurs calculées desdits pseudo-symboles 20 complexes. Selon un aspect particulier de l'invention, l'évaluation des formes d'ondes possibles du signal est réalisée pour un nombre réduit de composantes dans la décomposition du signal sous la forme d'une somme d'une pluralité de signaux modulés en amplitude. 25 L'invention a également pour objet un procédé de réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue, comprenant les étapes suivantes Filtrer le signal par un banc de filtre déterminé en exécutant le procédé de génération d'un banc de filtre selon l'invention, 30 Echantillonner les sorties du banc de filtre, 3025386 5 - Démoduler les symboles échantillonnés en exécutant un algorithme basé sur un treillis, du type algorithme de Viterbi ou algorithme BCJR. 5 L'invention a également pour objet un récepteur pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue comprenant : Un banc de filtre déterminé en exécutant le procédé de génération d'un banc de filtre selon l'invention, - Un moyen pour échantillonner les sorties du banc de filtre, 10 - Un démodulateur configuré pour exécuter, sur les symboles échantillonnés, un algorithme basé sur un treillis, du type algorithme de Viterbi ou algorithme BCJR. L'invention a également pour objet un programme d'ordinateur 15 comportant des instructions pour l'exécution du procédé de génération d'un banc de filtre selon l'invention, lorsque le programme est exécuté par un processeur et un support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est enregistré un programme comportant des instructions pour l'exécution du procédé de génération d'un banc de filtre selon l'invention, 20 lorsque le programme est exécuté par un processeur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés qui représentent : 25 La figure 1, le synoptique d'un récepteur de signaux modulés à phase continue selon l'art antérieur, - La figure 2, un diagramme représentant les réponses temporelles des filtres générés selon l'invention pour un exemple de modulation à phase continue d'indice h=3/4, 30 - La figure 3, le synoptique d'un récepteur de signaux modulés à phase continue selon l'invention, 3025386 6 - La figure 4, un exemple de représentation d'un treillis utilisé pour évaluer les représentations possibles du signal. En préambule à la description de l'invention, on introduit tout d'abord 5 un rappel sur les modulations à phase continue. Les modulations à phase continue, dites modulations CPM (Continuous Phase Modulation) sont une famille de modulations couramment utilisée pour transmettre des données numériques notamment dans le cadre de communications sans fil. Par opposition à d'autres procédés de lo modulation pour lesquels la phase du signal modulé est soumise à des transitions abruptes, les modulations CPM permettent de moduler la phase des symboles transmis de façon continue. Un signal modulé par une modulation à phase continue s'écrit sous la forme suivante s(t,a)=2E' cos(2nfot + 0(t,a)+80)=Re[sb(t,a)exp( j27ifot)] (1) 15 Avec: 0( a)= zhiË 4a ig(t -iT) et if q(t) . f g(r)dr,t L 20 Es est l'énergie moyenne d'un symbole, T est la durée temporelle d'un symbole, fo est la fréquence porteuse du signal, 80 la phase à l'origine, 0(t,a) la phase du signal qui module les symboles d'informations ai, g(t) est une fonction de mise en forme qui peut être, par exemple, une impulsion de Dirac ou une fenêtre rectangulaire, h=k/p est l'indice de modulation et L est la 25 longueur de la mémoire de la modulation. En pratique, la forme de la fonction q(t) est du type rectangulaire, en cosinus surélevée ou Gaussienne et la mémoire L influence la lisseur du signal. 3025386 Les symboles d'informations à émettre ai sont des symboles binaires qui peuvent prendre deux états. Le signal sb(t, a) est le signal en bande de base. Selon l'enseignement du document [1], ce signal peut être représenté sous la forme d'une somme 5 de signaux modulés en amplitude. Chaque signal modulé en amplitude est égal au produit d'une composante de forme d'onde et d'un pseudo-symbole construit à partir de l'ensemble des symboles transmis aux instants précédents. Les relations suivantes donnent la représentation du signal sb(t) en fonction des pseudo-symboles ak,n et des composantes ck(t). 10 D-1N -1 S b(t) = V2Es I T EZakmck(t - nT) (2) k=0 n=0 a k,n = exP(lehAk,n) n L-1 R (3) Ak,' = la; - i=0 j=1 ck (t) = sc,(0tIsj+Lfik-i(t),0 2LT 15 Dans le cas de symboles d'informations à émettre ai binaires, le nombre D de composantes ck(t) est au maximum égal à D= 21-1. Le paramètre [3k,i est le jème bit dans la décomposition binaire de l'indice k. 20 Comme indiqué plus haut et sur la figure 1, une façon usuelle de démoduler un signal modulé à phase continue consiste à filtrer le signal reçu par un banc de filtres qui ont chacun comme réponse temporelle, une composante ck(t) de la décomposition du signal sb(t) en signaux modulés en (5) 3025386 8 amplitude. Cependant cette solution présente les inconvénients discutés précédemment. Pour remédier à ces inconvénients, l'invention consiste à remplacer, dans le banc de filtre du récepteur 100, les réponses temporelles des filtres 5 par de nouvelles réponses qui correspondent aux formes d'ondes que peut prendre le signal sb(t) sur une période symbole. En effet, il est possible de montrer que durant n'importe quelle période symbole, le signal modulé sb(t) ne prend qu'un nombre fini K= p.2L de formes d'onde très structurées. Ce phénomène est illustré sur la figure 2 qui 10 représente, sur une période symbole entre les instants nT et (n+1)T, toutes les formes possibles du signal modulé sb(t) selon une modulation à phase continue d'indice de modulation h= 3/4, de fonction de mise en forme q(t) égale à la fonction cosinus surrélevé et de mémoire L = 2. Comme le montre la figure 2, le nombre de formes d'onde que peut 15 prendre le signal sur une durée T est limité à p.21= 16 formes d'onde possibles. Autrement dit, quelque soit les symboles ai émis et quelque soit leur combinaison, le signal modulé sb(t) prendra toujours la même forme théorique, parmi les 16 formes possibles, sur chaque durée symbole. 20 A partir de ce constat, l'invention consiste alors à modifier le récepteur 100 de la figure 1 en utilisant des filtres de réception de réponses cok(t), 05k5K-1 qui sont égales aux K formes d'ondes possibles du signal modulé sur une période symbole T quelconque. Les échantillonneurs 111,..,11K et le démodulateur 120 utilisés dans 25 le récepteur connu décrit à la figure 1 restent inchangés dans le récepteur 300 selon l'invention tel que cela est illustré à la figure 3. Les réponses cok(t) des filtres 301,302,..30K du récepteur selon l'invention peuvent être déterminées de plusieurs manières. 30 Une première solution consiste à déterminer toutes les formes que peut prendre le signal sb(t) en utilisant les relations (2) à (4) ci-dessus 3025386 9 permettant de déterminer les composantes ck(t) et les pseudo-symboles akm et en faisant varier les valeurs des symboles d'information ai parmi toutes les valeurs possibles. Cette première solution présente l'inconvénient d'être couteuse en 5 nombre d'opérations à exécuter. Une seconde solution consiste à évaluer toutes les représentations du signal sb(t) sur une durée symbole en utilisant un algorithme basé sur une représentation du signal sous forme de treillis, le treillis utilisé étant identique 10 à celui mis en oeuvre par un algorithme de décodage du type Viterbi ou BCJR exécuté par le démodulateur 120 du récepteur. Le document [2] décrit l'utilisation d'un tel algorithme pour réaliser la démodulation 120 des signaux échantillonnés en sortie du banc de filtre dans le cadre d'un récepteur 100 décrit à la figure 1. 15 Un exemple non limitatif de treillis à quatre états est représenté à la figure 4. Une section S quelconque du treillis est définie par un ensemble d'états de départ { ao, a1, az, a3} et d'états d'arrivée qui sont identiques. Le nombre d'états sur une section du treillis, est égal à p.21--1 où p est le numérateur de l'indice de modulation h=k/p. Les états associés à deux 20 instants consécutifs n, n+1 sont reliés entre eux par des branches représentant des transitions 1-0,0, ... 1-3,3 d'un état à un autre. Selon l'enseignement du document [2], un état ai du treillis est défini par le vecteur {ao,n_L, an-L+1, --- , an-2, an-i}, où an-u+1, , an-2, an_i sont les L-1 derniers symboles antérieurs à l'instant n considéré et ao,n_L est le pseudo25 symbole à l'instant n-L associé à la composante k=0 de la décomposition en signaux modulés en amplitude selon la relation (2). Le pseudo-symbole ao,n_L dépend des n-L symboles ai précédemment reçus : n-L ao,n-L = exP(ighEcti) (6) i=0 3025386 10 A chaque section du treillis est également associé un nouveau symbole à émettre an. A partir d'un état d'entrée ao, on rejoint un état de sortie a2 (qui correspond à la situation du signal à l'instant suivant n+1) en suivant une 5 transition T0,2. Pour chaque état du treillis, autrement dit pour chaque combinaison de valeurs que peut prendre le vecteur {ao,n_L, an-L+1, --- , an-2, an-1} en fonction des symboles à émettre an-Li-1, - , an-2, an_i, il est possible de calculer les 10 autres pseudo-symboles, associés à la décomposition selon la relation (2) pour les indices k strictement positifs, par l'intermédiaire des relations de récurrence suivantes : ËAk,n = AO,n-L + an + (1- i=1 L-1 (7) Ak,n-1 = AO,n-L + an-1 + (1- 13k,i)an-i 1=1+1 15 On détermine alors, sur une transition d'une section S quelconque du treillis, les valeurs des pseudo-symboles ao,n_L, ...ak,n-L. A partir de l'évaluation des états possibles que peuvent prendre les pseudo-symboles et des relations (4) et (5) qui définissent la forme des composantes ck(t), on obtient alors une représentation possible du signal 20 CPM. Sb(t) = .j2E, ITE Eak,ick(t -IT) D-1 n (8) k=01=n-L Dans un second temps, on itère le procédé sur toutes les transitions 25 de la section S choisie du treillis afin d'obtenir toutes les représentations possibles du signal sb(t) représenté par la relation (8). 3025386 11 Le calcul des pseudo symboles ao,n_L, ...ak,n.t. sur toutes les transitions d'une section quelconque du treillis permet d'obtenir toutes les représentations possibles du signal sur une durée symbole. On ne conserve que les représentations qui sont différentes entre 5 elles. Les réponses temporelles co,(t) des filtres 301,...,30K du banc de filtre selon l'invention sont déterminées en limitant les représentations du signal obtenues à l'issue de l'évaluation à l'aide du treillis sur une durée symbole T 10 co,(t) = sb(t),IIT(t+T/2) n-r-0 est la fonction porte sur une durée T. Sans sortir du cadre de l'invention, l'Homme du métier saura utiliser des algorithmes à base de treillis équivalents à ceux décrits ci-dessus et 15 permettant de la même façon d'évaluer toutes les représentations possibles du signal décomposé en sommes de signaux modulés en amplitude. Une variante de réalisation de l'invention consiste à limiter le nombre de filtres du banc de filtres en réception afin de diminuer la complexité de 20 mise en oeuvre du récepteur. En effet, comme cela est démontré dans le document [1], les premières composantes Co(t), C1(t)... de la décomposition en signaux modulés en amplitude concentrent une grande partie de l'énergie du signal alors que les composantes Ck(t) pour les indices k élevés ne comportent que peu d'énergie. 25 Pour cette raison, lorsqu'on évalue les formes d'ondes possibles que peut prendre le signal sb(t), il est possible de limiter la décomposition à un nombre réduit de composantes, par exemple deux composantes uniquement. En limitant le nombre de composantes, le nombre de représentations identiques du signal augmente et donc le nombre de filtres 30 obtenus à l'issu du procédé diminue. 3025386 12 Le procédé selon l'invention qui permet de déterminer les réponses temporelles des filtres 301,...,30K peut être mis en oeuvre en tant que programme d'ordinateur comportant des instructions pour son exécution. Le programme d'ordinateur peut être enregistré sur un support d'enregistrement 5 lisible par un processeur. Le récepteur 300 selon l'invention peut comprendre, pour implémenter les filtres 301,...30K, les échantillonneurs 111,112...11K et le démodulateur 120, des éléments matériels et/ou logiciels. Il peut notamment comprendre 10 un processeur et une mémoire. Le processeur peut être un processeur générique, un processeur spécifique, un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d'ASIC pour « ApplicationSpecific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gate 15 Array »). L'invention présente notamment les avantages suivants. Comme les filtres utilisés en réception sont sans mémoire, le bruit en sortie des filtres est un bruit blanc Gaussien. Ainsi, il n'est plus nécessaire d'ajouter de filtre 20 blanchisseur supplémentaire au récepteur et l'algorithme de démodulation du type Viterbi ou BCJR peut être implémenté sans approximations puisque les métriques utilisées prennent l'hypothèse d'un bruit blanc Gaussien. En outre l'interférence entre symboles et l'interférence entre composantes est sensiblement réduite du fait de l'utilisation de filtres en 25 réception qui sont adaptés aux différentes formes d'onde que peut prendre le signal sur une période symbole. Notamment, l'interférence entre symboles est éliminée du fait que les filtres utilisés ont un support temporel limité à une période symbole. 30 3025386 13 Références [1] P Laurent, "Exact and approximate construction of digital phase modulations by superposition of amplitude modulated pulses (amp)," IEEE 5 Transactions on Communications, vol.34, no. 2, pp. 150-160, 1986. [2] Ghassan Kawas Kaleh, "Simple coherent receivers for partial response continuous phase modulation," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 7, no. 9, pp. 1427-1436, 1989. REVENDICATIONS1. Procédé de génération d'un banc de filtre (301,302,...30K) pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue, ledit signal modulé pouvant être décomposé sous la forme d'une somme d'une pluralité de signaux modulés en amplitude, chaque signal modulé en amplitude pouvant être exprimé sous la forme du produit entre un pseudo-symbole complexe et une composante temporelle de forme d'onde prédéfinie en fonction des paramètres de la modulation, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : Evaluer, sur une durée T égale à la durée d'un symbole, toutes les formes d'ondes possibles du signal à partir des paramètres de la modulation à phase continue et de la décomposition sous la forme d'une somme d'une pluralité de signaux modulés en amplitude, l'évaluation consistant au moins à déterminer toutes les valeurs possibles des pseudo-symboles complexes, Retenir toutes les formes d'ondes évaluées qui sont différentes entre elles, Construire un banc de filtre (301,302,...30K) composé d'une pluralité de filtres dont les réponses temporelles sont égales aux formes d'ondes retenues, limitées à une durée égale à la durée d'un symbole. 2. Procédé de génération d'un banc de filtre pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue selon la revendication 1 dans lequel l'évaluation des formes d'ondes possibles du signal est réalisée à l'aide d'une représentation des états du signal sous forme d'un treillis, en calculant, sur toutes les transitions (To,o,...T3,3) d'une section (S) quelconque du treillis, la valeur desdits pseudo-symboles complexes pour l'ensemble des composantes temporelles considérées, un état ((si) du treillis associé à un instant temporel d'indice n étant défini par les L 3025386 15 symboles d'information du signal à émettre antérieurs à l'instant n et le nLième pseudo-symbole associé à la première composante temporelle, L étant la longueur de la mémoire de la modulation à phase continue. 5 3. Procédé de génération d'un banc de filtre pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue selon la revendication 2 comprenant, pour chaque transition d'une section quelconque du treillis, l'évaluation du signal calculée à partir des composantes temporelles de sa décomposition et des valeurs calculées desdits pseudo-symboles 10 complexes. 4. Procédé de génération d'un banc de filtre pour la réception d'un signal modulé par une modulation à phase continue selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'évaluation des formes d'ondes 15 possibles du signal est réalisée pour un nombre réduit de composantes dans la décomposition du signal sous la forme d'une somme d'une pluralité de signaux modulés en amplitude. 5. Procédé de réception d'un signal modulé par une modulation à phase 20 continue, comprenant les étapes suivantes : Filtrer le signal par un banc de filtre (301,302,...30K) déterminé en exécutant le procédé de génération d'un banc de filtre selon l'une des revendications précédentes, Echantillonner (111,112,...11K) les sorties du banc de filtre, 25 Démoduler (120) les symboles échantillonnés en exécutant un algorithme basé sur un treillis, du type algorithme de Viterbi ou algorithme BCJR. 6. Récepteur pour la réception d'un signal modulé par une modulation à 30 phase continue comprenant : 3025386 16 Un banc de filtre (301,302,...30K) déterminé en exécutant le procédé de génération d'un banc de filtre selon l'une des revendications 1 à 4, Un moyen (111,112,...11 D) pour échantillonner les sorties du banc de filtre, Un démodulateur (120) configuré pour exécuter, sur les symboles échantillonnés, un algorithme basé sur un treillis, du type algorithme de Viterbi ou algorithme BCJR. 10 7. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour l'exécution du procédé de génération d'un banc de filtre selon l'une des revendications 1 à 4, lorsque le programme est exécuté par un processeur. 8. Support d'enregistrement lisible par un processeur sur lequel est 15 enregistré un programme comportant des instructions pour l'exécution du procédé de génération d'un banc de filtre selon l'une des revendications 1 à 4, lorsque le programme est exécuté par un processeur. 20