Brevet FR3042366A1 — publié le 20170414

PROCEDE D'EGALISATION D'UN SIGNAL MONO-PORTEUSE DANS LE DOMAINE FREQUENTIEL L'invention se situe dans le domaine des procédés de traitement du s signal réalisés lors de la réception d'un signal mono-porteuse. Plus précisément, l'invention désigne un procédé permettant de réaliser l'égalisation fréquentielle de n'importe quel signal mono-porteuse comportant des séquences de données et des séquences de référence avec une faible complexité. 10 Lors de sa transmission, un signal radio est soumis à l'influence du canal de propagation. Ce dernier se caractérise par les réflexions multiples, ou multi-trajets, qui le composent, chacun des multi-trajets ayant un temps de propagation, une amplitude, et une phase qui lui est propre. Le signal 15 reçu est la somme de ces multi-trajets. On dit alors que le canal de propagation est sélectif en fréquence. Cette sélectivité crée de l'interférence entre les symboles reçus, qui vient dégrader les performances de la liaison. L'utilisation d'un égaliseur permet de corriger en partie les effets de 20 cette sélectivité en fréquence, et donc de rendre la liaison plus robuste aux phénomènes de propagation, en atténuant l'interférence entre symboles générée par les trajets multiples. L'égalisation peut se faire dans le domaine temporel, on parle alors d'égalisation temporelle, ou dans le domaine fréquentiel, on parle alors d'égalisation fréquentielle, avec des performances 25 sensiblement équivalentes. L'art antérieur comprend de nombreuses solutions d'égalisation d'un signal mono-porteuse. Une grande partie de ces solutions est basée sur des traitements dans 30 le domaine temporel. Ces solutions offrent de bonnes performances, mais au prix d'une complexité de traitement élevée. Ceci est particulièrement vrai lorsque les débits deviennent importants (canalisations larges), ou lorsque 3042366 2 l'étalement des trajets (retard maximum entre deux trajets du canal de propagation) augmente. L'égalisation dans le domaine fréquentiel a été étudiée dans le détail dans le cas des systèmes de communications multi-porteuses. Elle requiert s un signal ayant des propriétés particulières de cyclicité. Par exemple, dans le cas de l'OFDM (acronyme anglais pour « Orthogonal Frequency-Division Multiplexing », ou multiplexage orthogonal par répartition en fréquence), la cyclicité du signal est obtenue par l'ajout d'un préfixe cyclique (CP), qui correspond à la recopie, au début de chaque symbole OFDM, de la fin de ce so symbole OFDM, ou par l'insertion de zéros (ZP, acronyme anglais pour « zero padding »). De tels mécanismes sont décrits dans l'article « Cyclic Prefixing or Zero Padding for Wireless Multicarrier Transmissions », de B.Muquet et al., IEEE Transactions Communications, Vol. 50, Décembre 2002. L'égalisation fréquentielle permet alors une égalisation simple et 15 performante, l'égaliseur consistant en un filtre FIR (acronyme anglais pour « Finite Impulse Response », ou filtre à réponse finie) par sous porteuse, chaque filtre ayant un unique coefficient. Récemment, l'égalisation fréquentielle a commencé à être étudiée dans le cas de systèmes de communications mono-porteuses, afin de réduire la 20 complexité de traitement et d'augmenter les débits. On parle alors de SCFDE (acronyme anglais pour « Single Carrier - Frequency Domain Equalization »). En appliquant des méthodes permettant de circulariser le signal, et en utilisant des algorithmes rapides pour le passage des signaux dans le domaine fréquentiel (comme des transformées de Fourier rapides, 25 ou FFT), il est ainsi possible d'obtenir des algorithmes d'égalisation peu coûteux en termes de calculs et performants. Ces solutions sont présentées dans l'article « Frequency Domain Equalization for Single-Carrier Broadband Wireless Systems », de D. Falconer, IEEE Communications Magazine, Avril 2002. Elles présentent cependant quelques inconvénients. 30 Tout d'abord, ces solutions requièrent des formats de trame spécifiques. Il est nécessaire d'assurer la cyclicité du signal par le biais de l'insertion de préfixes cycliques, de zéros ou d'un motif unique répété plusieurs fois dans la trame (connu en anglais sous le terme « unique word »). Sans cette cyclicité, ou périodicité, l'égalisation fréquentielle est 3042366 3 impossible. Il est donc impossible d'appliquer l'égalisation fréquentielle à une forme d'onde n'ayant pas été spécifiquement dimensionnée pour, ce qui est le cas de la plupart des standards de communications mono-porteuse existant. s De plus, l'insertion de préfixes cycliques ou de zéros entraine nécessairement une perte de débit. Ce n'est pas le cas pour l'insertion d'un motif unique, car celui-ci peut également être utilisé pour l'estimation du canal de propagation. L'insertion de zéros est impossible lorsque la modulation mono-porteuse est une modulation à enveloppe constante, comme par exemple les modulations CPM (acronyme anglais pour « Continuous Phase Modulation », ou modulation à phase continue). Elle peut plus généralement poser des problèmes liés aux temps de montée et de descente de l'amplificateur de puissance, les modulations mono-porteuses étant généralement 15 sélectionnées pour leurs faibles variations de puissances qui permettent d'utiliser des amplificateurs de puissance à fort rendement proche de la saturation. De tels amplificateurs ne sont pas conçus pour supporter des variations rapides de puissance. 20 Certains standards, comme par exemple la liaison montante du standard LTE (acronyme anglais pour « Long Term Evolution »), sont spécifiquement définis pour être compatibles d'une égalisation fréquentielle. Cependant, dans le cadre de communications ayant un besoin de discrétion, comme par exemple les communications militaires, ces techniques ne sont 25 pas adaptées. En effet, la répétition de symboles (préfixes cycliques ou motifs uniques) ou l'insertion de zéros sont facilement repérables par des systèmes d'interception, et constituent des marquants pouvant permettre d'identifier, déchiffrer, et brouiller des transmissions. De plus, ces techniques ne sont pas compatibles avec l'utilisation d'algorithmes de cryptage de bout 30 en bout des communications, connus sont le nom de TRANSEC (acronyme anglais pour « TRANsmission SECurity »). Enfin, l'égalisation fréquentielle permet de réduire la complexité des calculs de par l'utilisation de transformées de Fourier rapides (FFT), pour lesquelles la complexité varie en o(n.log(n)) contre o(n2) pour les 3042366 4 transformées de Fourier standard. Cependant, l'utilisation de FFT implique un dimensionnement spécifique des trames permettant d'égaliser sur un nombre de symboles en puissance de 2. L'utilisation de FFT est également possible lorsque la décomposition en facteurs premiers de la taille de la FFT s comprend des petits facteurs premiers (É7). Cependant, ces implémentations nécessitent le plus souvent l'utilisation de transformées de Fourier rapides spécifiquement dimensionnées, qui ne sont généralement pas disponibles nativement dans les composants utilisés pour mettre en oeuvre le procédé d'égalisation, comme par exemple les DSP (acronyme anglais pour Digital io Signal Processor, ou processeur de signal numérique). Le procédé selon l'invention vise à répondre aux problématiques énoncées ci-dessus en proposant un procédé de traitement des signaux mono-porteuses reçus, pour les rendre compatibles d'une technique 15 d'égalisation fréquentielle. Ce procédé fonctionne pour toutes les formes d'ondes mono-porteuses dans lesquelles les données utiles transmises sont entourées par des séquences de référence connues. Il ne nécessite pas l'insertion de séquences spécifiques à l'émission, et est compatible avec l'utilisation de séquences de référence différentes les unes des autres. De 20 plus, il fonctionne pour les formes d'ondes faisant l'objet d'un cryptage de bout en bout (TRANSEC). Le procédé vise à supprimer les contributions des séquences de référence et de leurs interférences avec les séquences de données liées à la propagation, afin d'apporter de la cyclicité au signal reçu, puis à modifier sa 25 longueur afin de le rendre compatible d'une égalisation fréquentielle utilisant des transformées de Fourier rapides (FFT). L'invention consiste donc en un procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse reçu à travers un canal de propagation, ledit signal 30 comprenant une première séquence de référence suivie d'une séquence de données et d'une deuxième séquence de référence, lesdites première et deuxième séquences de référence étant connues. Le procédé est caractérisé en ce qu'il comprend : 3042366 - une première étape d'estimation dudit canal de propagation, - une deuxième étape de modélisation de séquences de référence reçues, à partir desdites première et deuxième séquences de référence connues et de l'estimation du canal de propagation calculée 5 lors de la première étape, - une troisième étape de correction du signal reçu, réalisée en supprimant dudit signal reçu les contributions des séquences de référence modélisées lors de la deuxième étape, - une quatrième étape d'égalisation fréquentielle du signal corrigé calculé lors de la troisième étape, et - une cinquième étape de suppression des derniers symboles du signal égalisé. Avantageusement, la quatrième étape du procédé d'égalisation 15 fréquentielle selon l'invention comprend en outre l'ajout de zéros à la suite du signal corrigé calculé lors de la troisième étape, l'ajout étant réalisé préalablement à l'égalisation fréquentielle. Selon un mode de réalisation du procédé d'égalisation fréquentielle 20 selon l'invention, la quatrième étape d'égalisation fréquentielle comprend une conversion du signal du domaine temporel vers le domaine fréquentiel par une transformée de Fourier rapide, une multiplication complexe, et une conversion du signal du domaine fréquentiel vers le domaine temporel par une transformée de Fourier rapide inverse. 25 Selon un mode de réalisation du procédé d'égalisation fréquentielle selon l'invention, le canal de propagation a une réponse impulsionnelle de longueur maximum L symboles, dans lequel la séquence de données a une longueur de N symboles, dans lequel la dimension N + L - 1 n'est pas 30 compatible de l'utilisation d'une transformée de Fourier rapide, et dans lequel le nombre de zéro ajoutés dans la quatrième étape permet l'utilisation d'une transformée de Fourier rapide pour l'égalisation fréquentielle du signal. 3042366 6 Selon un autre mode de réalisation du procédé, la première séquence de référence est différente de la deuxième séquence de référence. Dans un mode de réalisation du procédé selon l'invention, la première 5 étape d'estimation du canal de propagation comprend l'estimation du canal de propagation sur chacune des séquences de référence, et le calcul d'une moyenne de ces deux estimées. Selon un mode de réalisation du procédé d'égalisation fréquentielle selon l'invention, le canal de propagation a une réponse impulsionnelle, mesurée au rythme symbole de la transmission, de longueur maximum L, et dans lequel ladite cinquième étape de suppression des derniers symboles du signal égalisé comprend la suppression de L - 1 symboles. 15 Selon un autre mode de réalisation du procédé d'égalisation fréquentielle selon l'invention, le canal de propagation a une réponse impulsionnelle, mesurée au rythme symbole de la transmission, de longueur maximum L, dans lequel le nombre de zéros ajoutés lors de la quatrième étape à la suite du signal corrigé est de D - L + 1, et dans lequel ladite cinquième étape de 20 suppression des derniers symboles du signal égalisé comprend la suppression de D symboles. L'invention consiste également en un dispositif de réception d'un signal mono-porteuse caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé 25 d'égalisation fréquentielle dudit signal tel que décrit précédemment. 3042366 7 Description L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : s - les figures I a, 1 b et I c représentent la structure d'un signal transmis dans le but d'être compatible d'une technique d'égalisation fréquentielle, selon l'état de l'art, - la figure 2 représente la structure d'un signal multi-porteuses utilisant la technique de l'insertion de zéros, selon l'état de l'art, - la figure 3 représente les différentes étapes de deux modes de réalisation du procédé d'égalisation fréquentielle selon l'invention. - la figure 4 est un schéma représentant les différents traitements permettant d'égaliser le signal mono-porteuse dans le domaine fréquentiel selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 est un diagramme du déroulement du procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 est un diagramme du déroulement du procédé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, et - la figure 7 représente un dispositif implémentant le procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Le rôle de l'égaliseur est de corriger l'influence de l'interférence entre symboles apportée par le canal de propagation lors de la transmission du signal, cette interférence étant due aux trajets multiples. L'égalisation fréquentielle consiste, comme son nom l'indique, à travailler sur le signal reçu dans le domaine fréquentiel. L'objet de l'égalisation fréquentielle est d'estimer la réponse fréquentielle du canal, et d'appliquer au signal, préalablement passé dans le domaine fréquentiel à l'aide d'une transformée de Fourier discrète, un filtre d'égalisation fréquentielle, calculé à partir de la réponse impulsionnelle du canal. Enfin, le signal égalisé en fréquence est ramené dans le domaine temporel. 3042366 8 L'égalisation nécessite un certain nombre de traitements préalables, propres à chacune des formes d'ondes en fonction de son contexte d'utilisation : - Estimation et correction du décalage temporel, - Estimation et correction du décalage fréquentiel, - Estimation du SNR. Ces traitements sont connus de l'homme du métier, et ne seront pas abordés plus en détail. so De plus, afin de pouvoir estimer le canal de propagation dans son entier, les séquences de référence doivent avoir une taille supérieure à la longueur L de l'étalement maximum du canal de propagation. Afin d'être compatible avec une technique d'égalisation fréquentielle, il 15 est connu de formater le signal mono-porteuse transmis de manière à le rendre cyclique. Les figures 1 a, 1 b et 1 c représentent la structure d'un signal transmis dans le but d'être compatible d'une technique d'égalisation fréquentielle, selon l'état de l'art. 20 La figure 1 a présente cette structure lorsque la technique utilisée pour assurer la cyclicité du signal est celle du préfixe cyclique. Le schéma directeur de la structure est alors le suivant : les données 101 sont transmises par blocs de taille N, les CP derniers symboles 102 des données transmises étant recopiés au début 103 du bloc de données, le nombre CP 25 de symboles recopiés étant supérieur ou égal à l'étalement L du canal de propagation. Les données recopiées constituent le préfixe cyclique, et assurent la cyclicité du signal. Par définition, les données utilisées dans le préfixe cyclique n'étant pas connues du récepteur, elles ne peuvent être utilisées pour estimer le canal de propagation. Des séquences de référence 30 104, de taille P supérieure ou égale à L, doivent être ajoutées au signal pour permettre cette estimation du canal. 3042366 9 Au niveau du récepteur, les données à égaliser représentent un bloc 103 de taille M égale à la taille N du bloc de données transmises. L'inconvénient de cette technique réside dans la perte de débit liée à l'insertion de ce préfixe cyclique, et son incompatibilité avec les mécanismes de cryptage. La figure 1 b présente une deuxième structure de signal mono-porteuse adaptée pour être compatible d'un égaliseur fréquentiel. Dans cette structure, les données 111 sont également transmises par blocs de taille N. Chaque 10 bloc est précédé et suivi par une séquence de référence 114, de taille P. Les deux séquences de référence sont identiques, et permettent à la fois d'estimer le canal de propagation, et d'apporter la propriété de cyclicité au signal. Le signal à égaliser correspond alors au bloc 113, de taille M = N + P. Dans la figure 1 b, les séquences de référence 114 utilisées pour apporter la 15 cyclicité au bloc de données 111 peuvent être différentes des séquences 115 et 116 utilisées par les autres blocs de données. Cependant, les séquences entourant le bloc de données sont nécessairement identiques. L'inconvénient de cette structure provient également de la perte de débit entrainée par les séquences de référence, ainsi que son incompatibilité avec les mécanismes 20 de cryptage. La figure 1 c représente une troisième structure de signal mono-porteuse adaptée pour être compatible d'un égaliseur fréquentiel selon l'état de l'art. Dans ce mode de réalisation, les blocs de données 121 utilisent les 25 mêmes séquences de référence 124. On parle alors de motif unique, qui permet de limiter la diminution de débit liée à l'insertion de ces motifs. Les séquences de référence permettent à la fois d'estimer le canal de propagation, et d'apporter la propriété de cyclicité au signal. Le signal à égaliser correspond alors au bloc 123, de taille M = N + P. Si la perte de 30 débit associé à cette structure est moindre par rapport aux deux précédentes, la présence d'un motif unique constitue un marquant voyant de la trame, et n'est pas compatible des mécanismes de cryptage. 3042366 10 La figure 2 représente la structure d'un signal multi-porteuse utilisant la technique de l'insertion de zéros, selon l'état de l'art. Le bloc de données à égaliser 201 est précédé et suivi par une séquence nulle 202, qui apporte la cyclicité au signal. Le canal de propagation ne pouvant être estimé sur une s séquence nulle, des séquences de référence 203 de taille X supérieure à la longueur d'étalement du canal de propagation sont insérées dans le signal transmis. L'objet de l'invention consiste, à partir d'un signal reçu dont la taille des séquences de données et de référence est quelconque mais supérieure à l'étalement maximum du canal, les séquences de référence n'étant pas nécessairement identiques, à modifier ce signal en amont de l'égaliseur fréquentiel, afin de lui donner une structure proche de la structure d'un signal OFDM utilisant la technique d'insertion de zéros, mais pour un signal mono- 15 porteuse. L'insertion de zéros étant le plus souvent incompatible avec les modulations mono-porteuses, la cyclicité n'est pas apportée à l'émission, lors du formatage de la trame, mais recréée à l'aide des traitements réalisés lors de la réception. Comme elle ne modifie pas la structure de la trame émise, l'invention s'applique quelle que soit la forme d'onde utilisée. 20 La figure 3 représente les différentes étapes de deux modes de réalisation du procédé d'égalisation fréquentielle selon l'invention. La figure 3, ainsi que la suite de la description, se concentre de manière non limitative sur un unique bloc transmis, l'invention s'appliquant de manière 25 identique à chacun des blocs composant le signal. Le signal transmis 310 comprend des blocs de données 311 de taille N, chacun des blocs étant précédé et suivi par des séquences de référence 312 et 313, de taille P. Les séquences de référence 312 et 313 ne sont pas nécessairement 30 identiques, ni de même longueur, la trame transmise n'étant pas nécessairement formatée pour être compatible d'une technique d'égalisation fréquentielle. 3042366 11 Dans la suite, les notations suivantes seront adoptées : - N est la taille des blocs de données à égaliser, - P est la taille des séquences de référence, - L est la longueur de l'étalement du canal de propagation, soit la 5 distance maximum, en symboles, entre les différents trajets, - a = [a_p, ..., a_i]T est le vecteur contenant les symboles de la séquence de référence 312 précédant un bloc de données, - b = [bo, ..., b N AT est le vecteur des symboles de données 311 inconnues, et que l'on souhaite estimer, 10 - c = [CN, CN_Fp_i]T est le vecteur contenant les symboles de la séquence de référence 313 suivant un bloc de données, - Le signal transmis x(n) prend alors les valeurs suivantes : a_p, --- , a_i, b0, bN _1, CN, ..., - h(n) est le canal de propagation ; sa représentation vectorielle est h = [ho, hl, ..., 15 - Le signal reçu r(n) prend les valeurs suivantes : r_p, r_i, ro, ..., rN, ...,rN+p_i. De plus, dans la suite, et sauf indication contraire : - x désigne un scalaire, 20 - x désigne un vecteur, - X désigne une matrice, ou un vecteur dans le domaine fréquentiel, - xT est le vecteur transposé de x, - xi' est le vecteur transposé conjugué de x, 25 - XK est le vecteur x de taille N REVENDICATIONS1. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse reçu à travers un canal de propagation, ledit signal comprenant une première séquence de référence (312) suivie d'une séquence de données (311) et d'une deuxième séquence de référence (313), lesdites première et deuxième séquences de référence étant connues, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une première étape (501) d'estimation dudit canal de propagation, - une deuxième étape (502) de modélisation de séquences de référence reçues, à partir desdites première et deuxième séquences de référence connues et de l'estimation du canal de propagation calculée lors de la première étape, - une troisième étape (503) de correction du signal reçu, réalisée en supprimant dudit signal reçu les contributions des séquences de référence modélisées lors de la deuxième étape, - une quatrième étape (504) d'égalisation fréquentielle du signal corrigé calculé lors de la troisième étape, et - une cinquième étape (505) de suppression des derniers symboles du signal égalisé. 2. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon la revendication précédente, dans lequel ladite quatrième étape (604) comprend en outre l'ajout de zéros à la suite du signal corrigé calculé lors de la troisième étape, l'ajout étant réalisé préalablement à l'égalisation fréquentielle. 3. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon la revendication 2, dans lequel la quatrième étape (504) d'égalisation fréquentielle comprend une conversion du signal du domaine temporel vers le domaine fréquentiel par une transformée de Fourier rapide, une multiplication complexe, et une conversion du signal du domaine fréquentiel vers le domaine temporel par une transformée de Fourier rapide inverse. 3042366 24 4. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel ledit canal de propagation a une réponse impulsionnelle de longueur maximum L symboles, dans lequel la s séquence de données (311) a une longueur de N symboles, dans lequel la dimension N + L - 1 n'est pas compatible de l'utilisation d'une transformée de Fourier rapide, et dans lequel le nombre de zéro ajoutés dans la quatrième étape (504) permet l'utilisation d'une transformée de Fourier rapide pour l'égalisation fréquentielle du signal. 10 5. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite première séquence de référence (312) est différente de ladite deuxième séquence de référence (313). 15 6. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première étape (501) d'estimation du canal de propagation comprend l'estimation du canal de propagation sur chacune des séquences de référence (312, 313), et le calcul 20 d'une moyenne de ces deux estimées. 7. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit canal de propagation a une réponse impulsionnelle, mesurée au rythme symbole de la 25 transmission, de longueur maximum L, et dans lequel ladite cinquième étape (505) de suppression des derniers symboles du signal égalisé comprend la suppression de L - 1 symboles. 8. Procédé d'égalisation fréquentielle d'un signal mono-porteuse selon la 30 revendication 2, dans lequel ledit canal de propagation a une réponse impulsionnelle, mesurée au rythme symbole de la transmission, de longueur maximum L, dans lequel le nombre de zéros ajoutés lors de la quatrième 3042366 25 étape (604) à la suite du signal corrigé est de D - L + 1, et dans lequel ladite cinquième étape (605) de suppression des derniers symboles du signal égalisé comprend la suppression de D symboles. s 9. Dispositif (700) de réception d'un signal mono-porteuse caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé d'égalisation fréquentielle dudit signal selon l'une des revendications précédentes.