Brevet FR3062005A1 — publié le 20180720

L'invention concerne le domaine de l'adaptation d'un signal radio modulé en fréquence, destiné à être reçu par un récepteur radio intégré dans un véhicule automobile. Dans ce cadre, la présente invention vise un procédé d'adaptation « en 5 diversité de phase » d'un signal radio modulé en fréquence. Comme cela est connu, un récepteur radio, notamment dans un système multimédia d'un véhicule automobile, est apte à recevoir un signal radio, en particulier un signal radio FM, FM étant l'acronyme de « Frequency Modulation » signifiant « modulation de fréquence ». 10 Un tel signal radio FM, reçu sous forme modulée par un récepteur radio, est soumis à différents senseurs et à un filtrage adapté pour que le signal radio démodulé correspondant puisse être restitué dans de bonnes conditions, notamment dans l'habitacle d'un véhicule automobile. L'homme du métier connaît le principe de fonctionnement d'un signal 15 radio FM, c'est-à-dire modulé en fréquence, reçu par un récepteur radio adapté, en vue d'être démodulé puis restitué à des auditeurs. Une problématique connue ayant trait à la réception d'un signal radio FM via un récepteur radio mobile, en particulier intégré dans un véhicule automobile, réside dans le fait que le signal radio FM émis par un émetteur peut être masqué, ou réfléchi par des 20 obstacles naturels ou des immeubles par exemple, avant d'être reçu par une antenne du récepteur radio. En d'autres termes, le signal radio émis, avant d'être reçu par une antenne du récepteur, peut avoir suivi différents trajets, plus ou moins longs. Il en découle une nécessaire sélectivité, car un même signal radio peut notamment être reçu par une même antenne plusieurs fois, avec des décalages temporels potentiellement longs. Cette 25 problématique est connue de l'homme du métier, qui la désigne souvent sous le terme anglais de « multipath ». Pour pallier les inconvénients précités relatifs au « multipath » et au masquage, il est connu d'équiper les récepteurs radio d'au moins deux antennes distinctes, dites « en diversité de phase ». 30 Les systèmes à deux antennes « en diversité de phase » sont une solution connue à la problématique de la sélectivité en fréquence pour traiter les interférences dues au « multipath » dans les récepteurs radio automobiles. La figure 1 illustre le principe de ces systèmes. Ledit principe consiste à combiner les signaux radio FM reçus par deux 35 antennes distinctes Ai, A2 d'un récepteur radio, pour obtenir virtuellement une directivité 3062005 2 de l'ensemble formé par lesdites deux antennes, afin de privilégier un signal radio S souhaité, arrivant sur le réseau d'antennes avec un angle 0.', au détriment d'un signal radio non désiré Z. Selon l'état de la technique, les algorithmes de combinaison de signaux radio FM « en diversité de phase » comprennent l'application de poids complexes à chacun des signaux radios FM reçus par chacune des antennes, en bande de base complexe, avant de les sommer. Le principe de cet état de l'art est représenté sous la forme d'un schéma de principe donné à titre d'illustration, à la figure 2. Les antennes Ai, A2 reçoivent respectivement un signal radio FM. Après acquisition via les étages d'entrée FE1, FE2, et traitement dans le processeur de signal numérique DSP, par l'intermédiaire, d'abord, de convertisseurs analogiques-numériques ADC1, ADC2, les signaux radio x", x" sont combinés après s'être vus attribuer un poids complexe, respectivement w", w", calculé au moyen d'algorithmes itératifs dédiés, dans le module référencé M, tels que des algorithmes CMA (décrits ci-après), pour former le signal combiné yn. Le signal radio FM combiné yn est ensuite démodulé au moyen du démodulateur FM, référencé D, puis traité dans le processeur audio P en vue de sa restitution via des haut-parleurs (non représentés). Selon l'état de l'art, ces poids complexes W1,n 5 W2,n sont considérés comme totalement indépendants. D'autre part, le principe de la modulation en fréquence assure que le signal radio émis présente un module constant. De ce fait, des algorithmes de calcul, désignés algorithmes CMA, pour « Constant Modulus Algorithm », signifiant « algorithme à module constant », ont été développés pour calculer les poids complexes W1,n I W2,n I avec pour contrainte principale d'assurer, après calcul, un module sensiblement constant du signal radio combiné yn. Les algorithmes CMA sont des algorithmes de calcul itératif ayant pour objectif de déterminer les parties réelles et imaginaires des poids complexes à appliquer aux signaux radios FM reçus par les antennes d'un réseau d'antennes d'un récepteur radio, en vue de les combiner, de manière à minimiser la variation de l'amplitude du signal radio combiné. D'un point de vue mathématique, le principe présenté ci-dessus, dans lequel des poids complexes sont attribués à des signaux radio reçus par deux antennes « en diversité de phase », en vue de former un signal radio combiné à restituer, se traduit de la façon suivante. Le signal radio combiné s'écrit : yn = WnTXn = [1/1/1,n 14/2,n] X1,n1 3062005 3 où x" et x2,n sont les signaux radio respectifs, en bande de base complexe, reçus par les deux antennes « en diversité de phase » du récepteur radio FM considéré, et w1,n et w" sont les poids complexes attribués respectivement auxdits signaux, à l'instant n. 5 L'objectif des algorithmes CMA consiste à déterminer les poids complexes w1 et w2 permettant de minimiser la fonction de coût fcmA fcmA = Et(lYn - R)2} où R est une constante à déterminer, correspondant au module constant du signal combiné. 10 Selon l'état de l'art, les poids complexes sont considérés comme de simples complexes linéaires dont les parties réelles et imaginaires sont indépendantes : wn = [al,n a2,n jb2,n La fonction de coût est ainsi minimisée, au moyen d'algorithmes CMA, typiquement via des techniques de gradient instantané. 15 Un inconvénient majeur des algorithmes CMA tels qu'ils sont appliqués aujourd'hui, en vue de déterminer de façon indépendante les poids complexes à appliquer aux signaux reçus par les au moins deux antennes du récepteur radio mobile, en vue de les combiner pour former le signal radio FM à restituer, réside dans le fait qu'ils convergent parfois lentement, et surtout dans le fait qu'ils convergent parfois à mauvais 20 escient. En d'autres termes, il arrive que des poids complexes vérifiant les conditions requises amènent à combiner les signaux reçus d'une façon qui aboutit à la restitution d'un signal radio de mauvaise qualité. Les problèmes de stabilité sont ainsi particulièrement fréquents. Comme cela est connu de l'homme du métier, ces difficultés à converger 25 rapidement vers des solutions correctes et stables sont particulièrement présentes dans le domaine de la réception radio FM, car la seule contrainte certaine exploitable a priori par les algorithmes réside dans le fait que le module de l'enveloppe du signal radio modulé en fréquence est constant. Or, d'un autre côté, avec deux antennes recevant chacune un signal radio, à 30 combiner après leur avoir attribué un poids complexe, pour tenir compte du gain et du déphasage respectifs desdits signaux reçus, l'équation comporte quatre inconnues, correspondant respectivement aux parties réelles et imaginaires desdits signaux reçus. Les algorithmes CMA ont par conséquent pour objectif de déterminer les meilleures solutions, parmi un ensemble de solutions non optimales permettant d'assurer un module 35 constant du signal radio résultant de la combinaison. Plus particulièrement, dans des scénarios où les signaux radio désirés coexistent avec des signaux radio transmis sur des canaux fréquentiellement adjacents, 3062005 4 ce problème de convergence est plus prononcé. Il arrive souvent que des poids complexes obtenus par des algorithmes CMA privilégient des signaux radio adjacents au détriment des signaux radio désirés. C'est pour remédier à ces inconvénients que la présente invention est 5 proposée, en vue de permettre la combinaison de signaux radio FM reçus par au moins deux antennes « en diversité de phase » d'un récepteur radio, selon une technique améliorée. A cette fin, la présente invention prévoit en particulier l'introduction, dans le procédé visant à la combinaison des signaux radio FM reçus par au moins deux antennes 10 d'un récepteur radio, d'une corrélation spatiale entre lesdits deux signaux reçus. Ainsi, plutôt que de considérer les poids complexes à attribuer à chacun desdits signaux reçus par lesdites antennes comme indépendants, la présente invention propose un modèle adaptatif sur le plan spatial pour améliorer la performance du récepteur radio du point de vue de la suppression des interférences dues au 15 « multipath ». Le procédé d'adaptation d'un signal radio modulé en fréquence selon l'invention intègre une corrélation entre les gains et les déphasages respectifs des signaux reçus par les différentes antennes, ladite corrélation découlant de l'agencement spatial (lesdites antennes sont distinctes, situées à une certaine distance l'une de l'autre, 20 etc.), pour réduire les degrés de liberté de l'équation à résoudre par les algorithmes itératifs, tels que des algorithmes CMA, mis en oeuvre. De cette façon, lesdits algorithmes convergent plus rapidement et sont plus stables. Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé d'adaptation 25 d'un signal radio modulé en fréquence, pour sa mise en oeuvre dans un récepteur radio de véhicule, ledit récepteur radio étant destiné à recevoir un signal radio émis et comprenant un réseau d'au moins deux antennes de réception radio séparées l'une de l'autre, une première antenne recevant, à l'instant n, un premier signal radio xl,n et une deuxième antenne recevant, à l'instant n, un deuxième signal radio x2,n, le premier signal 30 radio et le deuxième signal radio étant destinés à être combinés pour fournir un signal radio combiné yn à restituer, avec : yn = 1/V1,n X )C1,n + 1/V2,n X )C2,n OÙ 1/1/1,n et 1/V2,n sont des poids complexes, ledit procédé visant à déterminer lesdits poids complexes et comprenant : 35 - l'introduction d'une corrélation entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, ladite corrélation étant fonction de la distance entre lesdites au 3062005 5 moins deux antennes, au moyen de l'expression desdits poids complexes en coordonnées polaires, de sorte que (2nd sin (9,s,n)R w1,n = 91,n et 1412,n = g2,nei de façon à intégrer une corrélation entre le premier signal radio x" et le deuxième 5 signal radio x2,n en termes de déphasage, 91,n et g2,n correspondant aux gains respectifs desdites au moins deux antennes, d correspondant à la distance entre lesdites au moins deux antennes, Os,n correspondant à la direction d'arrivée du signal radio sur le réseau d'antennes, et À étant la longueur d'onde associée à la fréquence sur laquelle le récepteur radio est 10 syntonisé, et - la mise en oeuvre d'un algorithme d'adaptation itératif pour déterminer a a G1,n5 G 2,n5 et Os,n aptes à maintenir constant dans le temps le module de yn. Grâce au procédé selon l'invention, qui introduit une corrélation spatiale entre les signaux radio FM reçus par les antennes d'un réseau d'antennes d'un récepteur radio 15 mobile, les algorithmes itératifs ayant pour fonction de déterminer les poids à attribuer auxdits signaux radio FM reçus convergent plus efficacement. Lesdits algorithmes itératifs convergent ainsi vers un sous-ensemble plus restreint de solutions, améliorant leur stabilité. Selon un mode de réalisation, ledit algorithme d'adaptation itératif est un 20 algorithme d'adaptation à module constant. Selon un mode de réalisation, le procédé selon l'invention comprend par ailleurs la détermination d'une constante R correspondant au module de l'enveloppe du signal radio modulé en fréquence émis, la mise en oeuvre de l'algorithme d'adaptation itératif consistant en la détermination de a 0 G 1,n I CI a 2,n I et s,n apte à minimiser dans le temps 25 le module de yn - R. Selon un mode de réalisation, w" est pris égal à 1 et 1/V2,n est égal à gneffind sin es,n) le deuxième signal radio x2,n en termes de gain correspondant à la distance entre la première antenne et la deuxième antenne, de sorte que la mise en oeuvre de l'algorithme 30 d'adaptation à module constant consiste en la recherche de gn et La présente invention vise également un récepteur radio comprenant un microcontrôleur configuré pour mettre en oeuvre le procédé tel que brièvement décrit ci-dessus. La présente invention vise aussi un véhicule automobile comprenant un 35 récepteur radio tel que brièvement décrit ci-dessus. /À, pour tenir compte de la corrélation entre le premier signal radio x' et 3062005 6 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et se référant aux dessins annexés qui représentent : - la figure 1, le schéma de principe d'un réseau d'antennes « en diversité de 5 phase », recevant des signaux respectifs à adapter au moyen du procédé selon l'invention ; - la figure 2, le schéma bloc d'un exemple de récepteur radio FM à deux antennes. Le procédé d'adaptation d'un signal radio FM selon l'invention est présenté en 10 vue d'une mise en oeuvre, principalement, dans un récepteur radio d'un système multimédia embarqué dans un véhicule automobile. Cependant, la mise en oeuvre de la présente invention dans tout autre domaine technique, en particulier dans tout type de récepteur radio FM, est également visée. 15 Comme évoqué précédemment, la présente invente invention vise à intégrer une corrélation entre les gains et les déphasages respectifs des signaux reçus par un réseau d'antennes d'un récepteur radio FM, formé d'au moins deux antennes « en diversité de phase », ladite corrélation découlant de l'agencement spatial desdites antennes, pour réduire les degrés de liberté laissés en particulier à des algorithmes CMA 20 chargés de déterminer les poids à attribuer auxdits signaux reçus en vue de les combiner pour former un signal radio combiné à restituer. Pour introduire cette corrélation, les poids complexes sont notés en coordonnées polaires, en introduisant la notion de gain et d'angle, de sorte que les parties réelles et imaginaires de chacun des poids attribués à chacun des signaux reçus 25 deviennent interdépendants : Ainsi, g1,nej(2n-Od sin = [X1,n1 = = g2,nej(2n-d sin (9s,n)R Pn = SnPn L 2,ni g2,ne j(2n-d sin es,n)RPn où Pn est une onde plane, correspondant au signal radio reçu, qui arrive au réseau d'antennes à l'instant n, Os est la direction d'arrivée de l'onde par rapport à la ligne 30 de visée du réseau d'antennes, comme le montre la figure 1, q1 an G 2,n sont les gains réels des antennes, d est la distance entre les antennes, et À est la longueur d'onde du signal radio reçu, ou autrement dit la longueur d'onde associée à la fréquence sur laquelle le récepteur radio est syntonisé. A partir de la théorie de la matrice d'antenne linéaire, le signal combiné, en 35 sortie du réseau d'antennes, s'écrit : 92,n) - WT S(es,n, 91,n, 92,n)- 3062005 7 Or, par ailleurs, dans un domaine technique distinct de celui des récepteurs radio FM, à savoir le domaine des radars, il est connu de réaliser une combinaison de signaux reçus mettant en oeuvre des algorithmes pour maximiser le rapport « signal sur interférence plus bruit » (SINR pour « signal-to-interference-plus-noise » en anglais) dans 5 le signal combiné, en sortie. Cette maximisation est basée sur l'inégalité de Cauchy-Schwarz. En adaptant cette technique au cas d'un réseau d'antennes formé de deux antennes « en diversité de phase », le modèle de signal adaptatif permet d'écrire : 117(es,n,g1,n,g2,n)12 = enTS(es,n,g1,n,g2,n)12 11Wn112115(es,n,g1,n,g2,n)1125 10 l'égalité étant vérifiée lorsque VIT,= KS( a a )I K étant une constante arbitrairement choisie. Avec K = 1, la solution qui maximise le rapport « signal sur interférence plus bruit » est une fonction de la direction Os d'arrivée de l'onde et des gains des antennes et 92, soit : 91,n 15 Wn(es, gl, g 2) -[,' ',j(2n-dsines,n)R1 Cette méthodologie propre au domaine des radars peut être adaptée au cas présent, visant à la combinaison de signaux radio FM reçus par au moins deux antennes « en diversité de phase », dans un récepteur radio mobile. Contrairement aux technologies radar, pour lesquelles il est considéré que les 20 antennes sont omnidirectionnelles, le modèle de signal proposé par la présente invention prend avantageusement en compte les gains des antennes (référencées 91,92 dans les équations précédentes), puisque dans la majorité des cas, en particulier dans le domaine automobile, les réseaux d'antennes véhiculaires ne sont pas calibrés. Ainsi, les algorithmes CMA pouvant être mis en oeuvre auront, dans le 25 procédé selon l'invention, l'objectif de déterminer les variables Os,gi et 92 permettant de maintenir constant, en sortie, le module du signal combiné. Le vecteur des poids complexes à attribuer aux signaux radio FM reçus par les au moins deux antennes « en diversité de phase » s'écrit donc désormais : g1,n Wn [g2,nej(2n-dsines,n)/1 30 En raison de la corrélation spatiale ainsi introduite, les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes sont interdépendantes. En factorisant, nous pouvons mettre à zéro l'angle associé au terme g". De ce fait, il subsiste moins de degrés de liberté par rapport à ce qui existe dans les procédés connus d'adaptation d'antennes radio FM « en diversité de phase ». 3062005 8 Pour converger vers une solution optimale en termes de poids complexes à attribuer aux signaux radio FM reçus par chacune des antennes en vue de former le signal combiné à restituer, il est prévu, selon un mode de réalisation, la mise en oeuvre d'algorithmes CMA. 5 Pour déterminer Os,gi et 92, on cherche ainsi à minimiser la fonction de coût JcmA suivante, typiquement au moyen d'algorithmes CMA, avec R une constante correspondant au module de l'enveloppe du signal radio FM, pouvant par exemple être obtenu en moyennant la puissance du signal reçu combiné : kmA = Et(lYn I - R)2} /0 Le calcul du gradient instantané aboutit à: VicmA = 2(lYnl R)VIYn I = 2 (IYn R)V(YnYn)112 1 = (II - R) -137.1(Y 3iYi nV Yin + Vnn) A la différence de l'état de l'art, du fait de l'introduction de la corrélation 15 spatiale décrite précédemment, le signal combiné s'écrit : 2n-d sin e, Yn = WnT Xn = 91,nx1,n+ j( sn)"x2,n Par conséquent, Os, gi et 92 étant indépendants, les dérivées partielles s'écrivent : ô3i -j(2n-d sin (9,s,n)R n An = de 92,nx2,n = 92,nx2,n(-:1 27rd cos Os,n/il)e-j(2nd sin (9s,n)R uu,s,n des,n 20 dej(2nd sin (9s,n)R ( sin O)R aYn An - 92,nx2,n = 92,nX2,n(j 27rd cos Os,n/il)e2ird s,n i uu,s,n des,n aYn 41,n = aYn 41,n = aYn 42,n aYn= ,j(2n-d sin (9s,n)/À- 42,n 25 En intégrant lesdites dérivées partielles dans la fonction de coût, il vient : alCMA e, = _47T d (IYn I -R) cos Os,nIM[Yn2,ne1(27-cd sinsn) "]92,n 11 lYni alCMA = 2 (I Yn I - R) Re [y1] n u91,n bin I akmA (I Yn I - R) r n = 2 Re lynX2,ne j(27rds in (9s,n)/1 u92,n iYni VICMA = es,n = x2,ne-j(2nd sin 95)/2L 3062005 9 De ce fait, les poids complexes à déterminer pour combiner les signaux radio reçus par les au moins deux antennes du réseau d'antennes s'obtiennent par le calcul suivant : d (lYni R) s,n+1 = .s,n 119471- cos s ,n1111[37722,ne c 2,n À 137n I ,(iYni R) Re[yA_ 5 - ,n] 91,n+1 91,n iYni (1371 R) (27-1-cl sin es,n)/1 n g2,n+1 g2,n g2 Re [31n2,nej iYn La mise en oeuvre d'algorithmes CMA sur ces formules, avec la contrainte de minimiser la fonction de coût, converge plus efficacement que dans l'état de l'art. En effet la corrélation spatiale introduite précédemment induit une interdépendance dans la mise à /0 jour des coefficients, ce qui n'est pas le cas des algorithmes CMA mis en oeuvre dans l'état de l'art. Grâce à l'invention, les algorithmes CMA convergent vers un sous-ensemble plus restreint de solutions, ledit sous-ensemble étant inclus dans l'ensemble des solutions possible des algorithmes CMA tels que mis en oeuvre dans l'état de l'art. 15 Il est précisé, en outre, que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, ayant recours à des algorithmes CMA, et est susceptible de variantes accessibles à l'homme de l'art ; notamment, d'autres types d'algorithmes peuvent tout à fait être mis en oeuvre. REVENDICATIONS1. Procédé d'adaptation d'un signal radio modulé en fréquence, pour sa mise en oeuvre dans un récepteur radio de véhicule, ledit récepteur radio étant destiné à recevoir un signal radio émis et comprenant un réseau d'au moins deux antennes de réception radio (Ai, A2) séparées l'une de l'autre, une première antenne (A1) recevant, à l'instant n, un premier signal radio x" et une deuxième antenne (A2) recevant, à l'instant n, un deuxième signal radio x2,, le premier signal radio et le deuxième signal radio étant destinés à être combinés pour fournir un signal radio combiné yn à restituer, avec : Yn = w1,n X x1,n w2,n X x2,12 où w' et 1/V2,n sont des poids complexes, ledit procédé visant à déterminer lesdits poids 10 complexes et comprenant : - l'introduction d'une corrélation entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, ladite corrélation étant fonction de la distance entre lesdites au moins deux antennes (Ai, A2), au moyen de l'expression desdits poids complexes en coordonnées polaires, de sorte que 15 w1, n= 91,n et w2,n = 92,ne j(2nd sin (9,s,n)R, de façon à intégrer une corrélation entre le premier signal radio x" et le deuxième signal radio x2,n en termes de déphasage, 91,n et g2,n correspondant aux gains respectifs desdites au moins deux antennes (Ai, A2), d correspondant à la distance entre lesdites au moins deux 20 antennes (Ai, A2), Os,n correspondant à la direction d'arrivée du signal radio sur le réseau d'antennes, et À étant la longueur d'onde associée à la fréquence sur laquelle le récepteur radio est syntonisé, et - la mise en oeuvre d'un algorithme d'adaptation itératif pour déterminer a a ,1,n5 G2,125 et Os,n aptes à maintenir constant dans le temps le module de yn. 25 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit algorithme d'adaptation itératif est un algorithme d'adaptation à module constant. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant la détermination d'une constante R correspondant au module de l'enveloppe du signal radio modulé en fréquence émis, la mise en oeuvre de l'algorithme d'adaptation itératif 30 consistant en la détermination de q1, 92,n5 et Os,n aptes à minimiser dans le temps le module de yn - R. 3062005 11 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel wtn est pris égal à 1 et w2,n est égal à g nej (2nd sin ( 5,n) /À-, pour tenir compte de la corrélation entre le premier signal radio xl,n et le deuxième signal radio x2,72 en termes de gain correspondant à la distance entre la première antenne et la deuxième antenne, de 5 sorte que la mise en oeuvre de l'algorithme d'adaptation à module constant consiste en la recherche de gn et 5. Récepteur radio comprenant un microcontrôleur configuré pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 6. Véhicule automobile comprenant un récepteur radio selon la revendication /0 précédente.