Brevet FR3069399A1 — publié le 20190125

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se rapporte au domaine des radiocommunications utilisant le codage de signaux numériques par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses (- Orthogonal Frequency-Division Multiplexing » en anglais, abrégé en OFDM). La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de codage de données dans un signal OFDM, un procédé de décodage de données préalablement codées dans un signal ODFM, un émetteur de signal OFDM et un récepteur de signal OFDM. ETAT DE LA TECHNIQUE Un signal OFDM classique comprend une pluralité de sous-porteuses dont les fréquences sont mutuellement orthogonales (afin de réduire autant que possible l'intervalle fréquentiel entre sous-porteuses consécutives dans le but d'accroître l'efficacité spectrale). L'ensemble de ces sous-porteuses est typiquement divisé en deux sous-ensembles : - un ensemble de M sous-porteuses utilisées pour l'estimation du canal de transmission (les phases portées par ces sous-porteuses sont connues du récepteur du signal), - un ensemble de N sous-porteuses utilisées pour le transport de données (les données sont modulées à l'aide d'un schéma de modulation classique : BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM, etc.). La quantité d'information brute transportée par un tel signal OFDM dépend du schéma de modulation utilisé : cette quantité est de B x N bits par paquet si, d'une façon générale, un schéma de modulation portant B bits par sous-porteuse est utilisé. L'augmentation du débit de transmission est un objectif continu dans le domaine des radiocommunications. Pour augmenter la quantité d'information transportée par un signal OFDM, une solution connue consiste naturellement à augmenter le nombre de sous-porteuses. Cependant, une telle augmentation n'est pas toujours possible. Le nombre de sous- porteuses peut en effet être limité par le dispositif émetteur du signal OFDM, le canal de transmission lui-même et le dispositif de réception. Aussi, il a été proposé dans le document W02014184285 un procédé de codage de données dans un signal OFDM, comprenant des étapes suivantes sur la base d'un ensemble prédéterminé de N fréquences orthogonales : - on sélectionne un jeu de N-P fréquences dans cet ensemble, en fonction de la valeur d'une première donnée, de sorte que le jeu sélectionné représente un codage de la première donnée, 2 - pour chaque fréquence sélectionnée, on génère une première sous-porteuse à la fréquence sélectionnée et modulée d'après un schéma de modulation pour transporter au moins une deuxième donnée. Parmi les N fréquences mises à disposition pour former le signal OFDM, seules N-P 5 fréquences sont utilisées pour générer des sous-porteuses, les P autres fréquences étant laissées inutilisées. Le signal OFDM présente donc des - trous » fréquentiels laissés par l'émetteur en les fréquences inutilisées. Des informations sont classiquement transportées par les N-P sous-porteuses activées, selon le schéma de modulation prédéterminé. De plus, la sélection particulière opérée de N-P fréquences parmi les N disponible encode en elle- 10 même une information supplémentaire. Pour décoder cette information supplémentaire, suite à la réception du signal OFDM la transportant, il convient de détecter les P fréquences qui n'ont pas utilisées pour générer le signal OFDM avant son émission, parmi celles de l'ensemble de N fréquences prédéterminées. Autrement dit, le récepteur doit détecter les trous fréquentiels laissés par l'émetteur dans le signal OFDM. 15 Toutefois, cette détection de trous est difficile à mettre en oeuvre lorsque le signal OFDM a transité par un canal bruité : en effet, la présence de bruit dans le signal OFDM peut avoir pour conséquence que la non-utilisation d'une fréquence donnée dans le signal OFDM émis par l'émetteur devient incertaine pour le récepteur de ce signal. 20 EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l'invention est d'augmenter la quantité d'information transmise par un signal OFDM sans pour autant augmenter le nombre de sous-porteuses de ce signal OFDM, tout en faisant en sorte que ces informations soient plus faciles à décoder à leur réception. Il est dès lors proposé, selon un premier aspect de l'invention, un procédé de codage 25 de données dans un signal OFDM, comprenant des étapes de : - sélection d'un jeu de premières fréquences dans un ensemble prédéterminé de fréquences mutuellement orthogonales, en fonction de la valeur d'une première donnée, - pour chaque première fréquence, génération d'une première sous-porteuse à la 30 première fréquence, modulée d'après un premier schéma de modulation pour transporter au moins une deuxième donnée, - sélection d'un jeu de deuxièmes fréquences distinct du jeu de premières fréquences dans l'ensemble prédéterminé, en fonction de la valeur de la première donnée, de sorte que la combinaison des premières et deuxièmes fréquences sélectionnées représente un codage de la première donnée, 3 - pour chaque deuxième fréquence, génération d'une deuxième sous-porteuse à la deuxième fréquence, dans lequel la deuxième sous-porteuse présente, outre sa fréquence, au moins une autre caractéristique physique adaptée pour distinguer la deuxième sous-porteuse de chaque première sous-porteuse. 5 Le procédé selon le premier aspect de l'invention peut comprendre en outre les caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison lorsque cela est techniquement possible. Au moins une troisième fréquence de l'ensemble prédéterminé peut n'être pas sélectionnée comme première ou deuxième fréquence. Dans ce cas, les étapes de sélection 10 sont mises en oeuvre de sorte que la combinaison des premières, deuxièmes et troisièmes fréquences représente un codage de la première donnée. Au moins une deuxième sous-porteuse peut être modulée d'après un deuxième schéma de modulation pour transporter au moins une troisième donnée. Si l'on suppose que l'ensemble est constitué de N fréquences mutuellement 15 orthogonales, et que N-P premières fréquences et Q deuxièmes fréquences sont sélectionnées, alors P et Q peuvent être prédéterminées à des valeurs telles que : 0 O. Il existe dans ce cas au moins une fréquence de l'ensemble prédéterminé F des N fréquences mutuellement orthogonales qui n'est pas utilisée pour 20 produire le signal OFDM. Par convention, chaque fréquence non utilisée de l'ensemble F est appelée troisième fréquence. Comme indiqué précédemment la première donnée X d'entrée peut être représentée par une séquence de bits. Dans le cas où l'on choisit R - 0, les N fréquences sont toutes utilisées. Il existe alors 25 « - 4 manières de partitionner l'ensemble F de N fréquences en le jeu de premières fréquences et le jeu de deuxièmes fréquences. Il existe alors « valeurs différentes de la première donnée X d'entrée qui peuvent codées par des sélections différentes des P premières fréquences. Autrement dit, une sélection particulière des N-P premières fréquences peut être reliée de manière biunivoque avec une première donnée X d'entrée 30 ayant une représentation binaire dont le nombre de bits est au plus égal à la partie entière de log2 C. Dans le cas où l'on choisit R > 0, le signal OFDM se caractérise alors par le jeu des premières fréquences, le jeu de deuxièmes fréquences, et par un jeu de troisièmes fréquences non utilisées dans le signal OFDM. Le nombre de manières de répartir les N 35 fréquences de l'ensemble F dans ces trois jeux est bien supérieur à C. Par conséquent, il 11 est possible de coder dans le signal OFDM une première donnée X d'entrée dont la représentation binaire est plus grande que 10g2 C. Procédé de décodage de données préalablement codées dans un signal OFDM 5 En référence à la figure 3, un procédé mis en oeuvre par le récepteur 2 comprend les étapes suivantes. L'antenne 14 du récepteur 2 capte le signal OFDM émis par l'antenne 10 de l'émetteur 1 (étape 200). Le signal OFDM est transmis par l'antenne 14 au module de détection 16. 10 Le module de détection 16 détecte, dans le signal OFDM reçu les N-P premières sous- porteuses ayant été modulées d'après le premier schéma de modulation, et les Q deuxièmes sous-porteuses (étape 202). Pour faire la différence entre les premières sous-porteuses et les deuxièmes sous-porteuses, le module de détection 16 se fonde sur la caractéristique physique de chaque 15 deuxième sous-porteuse, autre que sa fréquence, qui permet de la distinguer de chaque première sous-porteuse. Le module de détection 16 récupère le jeu de N-P premières fréquences à partir des premières sous-porteuses détectées, et le jeu de Q deuxièmes fréquences à partir des deuxièmes sous-porteuses détectées. 20 Il est beaucoup plus facile pour le récepteur 2 de se fonder sur une caractéristique physique de porteuse pour déterminer si une sous-porteuse est une première sous-porteuse ou non, plutôt que de se fonder sur une absence de signal comme cela est proposé dans le procédé décrit dans le document W02014184285. Comme cela a été vu précédemment, il se peut qu'au moins une des N fréquences n'ait 25 pas été utilisée pour générer le signal OFDM coté émetteur 1 (lorsque l'émetteur 1 a été configure avec un paramètre R > 0). Aussi, le module de détection 16 détecte l'absence éventuelle d'une sous-porteuse en au moins une troisième fréquence de l'ensemble F. Par exemple, le module de détection peut se fonder sur sa pré-connaissance du paramètre R mémorisé dans sa mémoire 22, 30 également utilisé par l'émetteur I. Sur la base des premières fréquences, des deuxièmes fréquences, et le cas échéant des troisièmes fréquences absentes du signal OFDM reçu, le module de décodage 20 génère une première donnée de sortie (étape 204). Pour ce faire, une transformation inverse de celle utilisée par le module de codage est mise en oeuvre par le module de décodage 20. Par 35 conséquent, la première donnée de sortie est de valeur égale à la première donnée X 12 d'entrée initialement traitée par l'émetteur 1, sous l'hypothèse que le module de détection 16 n'a pas commis d'erreur de discrimination entre les premières sous-porteuses et des deuxièmes sous-porteuses. Par ailleurs, et ce de manière conventionnelle, le démodulateur 18 démodule chaque 5 première sous-porteuse détectée d'après le premier schéma de modulation, de sorte à extraire des deuxièmes données de sortie (étape 206). Sous l'hypothèse que les premières sous-porteuses modulées n'ont pas été altérées par le canal de communication 3, ces deuxièmes données de sorties sont égales aux deuxièmes données Y d'entrée. Le cas échéant, le démodulateur 18 démodule chaque deuxième sous-porteuse 10 détectée d'après le deuxième schéma de modulation, de sorte à extraire des troisièmes données de sortie (étape 208). Sous l'hypothèse que les deuxièmes sous-porteuses modulées n'ont pas été altérées par le canal de communication 3, ces troisièmes données Z de sorties sont égales aux troisièmes données Z d'entrée. Grâce aux paramètres mémorisés dans sa mémoire 22, le démodulateur 18 sait s'il convient de démoduler ou non les deuxièmes sous- 15 porteuses (celles-ci pouvant n'avoir pas été modulées par l'émetteur). Utilisation d'amplitudes différentes pour discriminer les premières et les deuxièmes sous-porteuses d'un signal OFDM Dans un mode de réalisation, une caractéristique physique permettant de distinguer 20 une deuxième sous-porteuse d'une première sous-porteuse est son amplitude. Les étapes suivantes sont alors mises en oeuvre par l'émetteur 1. Ont été préalablement mémorisées dans la mémoire de l'émetteur 1 une première valeur d'amplitude Al et au moins une deuxième valeur d'amplitude A2 différente de la première valeur d'amplitude Al. Bien que l'inverse soit possible, on suppose dans la suite 25 que Al 0 et Q = O); - un troisième signal OFDM, obtenu par application d'un procédé conforme à l'un des modes de réalisation décrits précédemment, et constitué des P premières sous-porteuses modulées d'après le premier schéma de modulation et des Q deuxièmes 15 sous-porteuses, modulées d'après le deuxième schéma de modulation (P > 0 et 0 0, on a G'w(P, Q) > G oid(P). Autrement dit, le troisième signal transporte alors encore plus d'information que le deuxième 5 signal résultant de l'application du procédé décrit dans le document W02014184285. Par exemple, si l'on choisit Q - R = I2 on obtient : \((i) !)2 (N - " I B2 ) P La différence de gain entre le deuxième signal OFDM et le troisième signal OFDM est alors la suivante : 10 AG - G'w(P) - Goid(P) / \ - log2 N! N! - log2 + (B2 131)P [10g2 Bill 2 (P! (N- PY) 2 \(* !) (N - P)!/ 7 \ P! B2 + 7P \(*!)2 j On a représenté en figure 9 les gains G'w et G oid en fonction de P, avec les paramètres suivants : 15 - N = 9 6, - - schéma de modulation utilisé pour moduler les N-P sous-porteuses du deuxième signal OFDM et pour moduler les N-P premières sous-porteuses du troisième signal OFDM: BPSK, 20 - schéma de modulation utilisé pour moduler les Q deuxièmes sous-porteuses du troisième signal OFDM : 8PSK. Avec ces paramètres, le gain G'w maximal est d'environ 179 bits pour P - 70. On a par ailleurs représenté en figure 10 les gains G'w et Goid en fonction de P, en remplaçant le schéma BPSK utilisé pour moduler les N-P sous-porteuses du deuxième signal 25 par le schéma QPSK, les autres paramètres étant inchangés par rapport à la figure 8. Avec ces paramètres, le gain G'w maximal est d'environ 115 bits pour P - 56. anew (P) = 10g2 N! 18 Valeurs préférées pour les paramètres P et Q Comme indiqué ci-dessus, le gain d'information Gnew dépend des paramètres P et Q. Puisque P = Q R, nous pouvons réécrire Gnew comme suit : N! Gnew (P, Q) = 10g2 (Q! (P - Q)! (N - P)! + B2 Q - B11) F (N + 1) 5 = log2 ( Où F : x ,3 fr tx-ie-t dt,Vx > 0 désigne la fonction gamma. La fonction Gnew est une fonction à deux variables étant définie sur le domaine triangulaire suivant : r0 ir)rF(x), Vx > 0 désigne la fonction digamma. ôQw (log2 (F(Q + 1)F (P ô G' ô F (N + 1) I ô ( F (N + 1) = 1 . 0 Q \F (Q + 1)F (P - Q + 1)F (N - P + 1))\ + B 2 1n2 F(N + 1) \ F(Q + 1)F(P - Q + 1)F (N - P + 1) / = 1 .0(2 \F (Q + 1)F (P - Q + 1)F (N - P + 1))\ + B 2 I ô ( 1 ln 2 1 \ F(Q + 1)F(P - Q + 1)F (N - P + 1) / I - (k (F (Q + 1))F (P - Q + 1) + F (Q + 1)k,(F(p_Q+ 1)))\ = 1 (F (Q + 1)F (P - Q + 1))2 F (N - P + 1) ln 2 F (Q + 1)F (P - Q + 1)F (N - P + 1) 1 - (1,2 (F (Q + 1))F(P- Q + 1) + F (Q + 1) k(r(P - Q + 1)))\ u ln 2 F(Q + 1)F(P - Q + 1) + B2 1 (- (Q + 1)0 (Q + 1)F(P- Q + 1) - F (Q + 1)F - Q + 1)0(P - Q + 1))) + B 2 ln 2 F(Q + 1)F(P Q + 1) 1 , 10 Par conséquent, le point critique (Pu, Q) c) est la solution du système d'équations suivant : / 1 = (1P(Pc - Qc +1)- 1P(Qc +1)) + B2= 0 Le tableau 1 ci-dessous donne les valeurs de Pc et Qc (arrondies à l'entier le plus proche) 15 maximisant les gains Goid et G'w pour des valeurs de N comprises entre 33 et 128, et pour B1 = 1 et B2 = 4. 5 1 + B2 20 20 N G old Gnew N Go Id Gnew N G old Gnew N G old Gnew D D , Pc Pc Qc Pc Pc Qc Pc Pc Qc 1c 1c 'ec 32 10 29 28 56 18 50 48 80 26 72 68 104 34 93 88 33 11 30 29 57 19 51 49 81 27 73 69 105 35 94 89 34 11 31 29 58 19 53 50 82 27 74 70 106 35 95 90 35 11 32 30 59 19 53 50 83 27 75 71 107 35 96 91 36 12 33 31 60 20 54 51 84 28 76 72 108 36 97 92 37 12 33 32 61 20 55 52 85 28 76 72 109 36 98 93 38 12 34 33 62 20 56 53 86 28 77 73 110 36 99 93 39 13 35 34 63 21 57 54 87 29 78 74 111 37 100 94 13 36 34 64 21 58 55 88 29 79 75 112 37 101 95 41 13 37 35 65 21 59 56 89 29 80 76 113 37 101 96 42 14 38 36 66 22 59 56 90 30 81 77 114 38 102 97 43 14 39 37 67 22 60 57 91 30 82 77 115 38 103 98 44 14 40 38 68 22 61 58 92 30 83 78 116 38 104 98 15 41 39 69 23 62 59 93 31 84 79 117 39 105 99 46 15 42 40 70 23 63 60 94 31 84 80 118 39 106 100 47 15 42 40 71 23 64 61 95 31 85 81 119 39 107 101 48 16 43 41 72 24 65 61 96 32 86 82 120 40 108 102 49 16 44 42 73 24 66 62 97 32 87 82 121 40 109 103 16 45 43 74 24 67 63 98 32 88 83 122 40 110 104 51 17 46 44 75 25 67 64 99 33 89 84 123 41 110 104 52 17 47 45 76 25 68 65 100 33 90 85 124 41 111 105 53 17 48 45 77 25 69 66 101 33 91 86 125 41 112 106 54 18 49 46 78 26 70 66 102 34 92 87 126 42 113 107 18 50 47 79 26 71 67 103 34 93 88 127 42 114 108 128 42 115 109 Tableau 1 P est sélectionné de préférence dans l'intervalle ]0, N[ à une valeur telle que l'écart entre P et Pc est inférieur à un premier seuil prédéterminé égal à N /No, et Q est par ailleurs 5 sélectionné dans l'intervalle ]0, N[ à une valeur telle que l'écart entre Q et Qc est inférieur à un deuxième seuil déterminé égal à NP/Po. Ces deux contraintes peuvent être exprimées comme suit : N IP - Pci REVENDICATIONS1. Procédé de codage de données dans un signal OFDM, comprenant des étapes de : - sélection (102) d'un jeu de premières fréquences dans un ensemble prédéterminé de fréquences mutuellement orthogonales, en fonction de la valeur d'une première donnée (X), - pour chaque première fréquence, génération (104) d'une première sous-porteuse à la première fréquence, modulée d'après un premier schéma de modulation pour transporter au moins une deuxième donnée (Y), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : - sélection (108) d'un jeu de deuxièmes fréquences distinct du jeu de premières fréquences dans l'ensemble prédéterminé, en fonction de la valeur de la première donnée (X), de sorte que la combinaison des premières et deuxièmes fréquences sélectionnées représente un codage de la première donnée (X), - pour chaque deuxième fréquence, génération d'une deuxième sous-porteuse à la deuxième fréquence, dans lequel la deuxième sous-porteuse présente, outre sa fréquence, au moins une autre caractéristique physique adaptée pour distinguer la deuxième sous-porteuse de chaque première sous-porteuse. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel au moins une troisième fréquence de l'ensemble prédéterminé n'est pas sélectionnée comme première ou deuxième fréquence, et dans lequel les étapes de sélection (102, 108) sont mises en oeuvre de sorte que la combinaison des premières, deuxièmes et troisièmes fréquences représente un codage de la première donnée (X). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une deuxième sous-porteuse est modulée d'après un deuxième schéma de modulation pour transporter au moins une troisième donnée (Z). 4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'ensemble est constitué de N fréquences mutuellement orthogonales, N-P premières fréquences et Q deuxièmes fréquences sont sélectionnées, P et Q étant prédéterminées à des valeurs telles que : 0 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel Q est choisi à une valeur telle que 10 IQ - QcI 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'ensemble est constitué de N fréquences mutuellement orthogonales, N-P premières fréquences et Q deuxièmes fréquences sont sélectionnées, dans lequel P est choisi à une valeur telle que IP - PI 7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel Q est choisi à une valeur telle que IQ - Qcl 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une première 25 sous-porteuse a une première amplitude (A1) et au moins une deuxième sous-porteuse a une deuxième amplitude (A2) différente de la première amplitude (A1). 9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel au moins une deuxième sous-porteuse est modulée d'après un deuxième schéma de modulation pour transporter au moins 30 une troisième donnée (Z), et dans lequel : - le deuxième schéma de modulation est d'ordre inférieur à l'ordre du premier schéma de modulation, et la deuxième amplitude (A2) est inférieure à la première amplitude (A1), ou 24 - le deuxième schéma de modulation est d'ordre supérieur à l'ordre du premier schéma de modulation, et la deuxième amplitude (A2) est supérieure à la première amplitude (A1). 5 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque schéma de modulation utilisé pour moduler une sous-porteuse appartient à la famille des schémas de modulation par changement de phase. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un schéma de 10 modulation utilisé pour moduler une sous-porteuse est BPSK. 12. Emetteur (1) de signal ODFM configure pour mettre en oeuvre le procédé de codage selon l'une des revendications précédentes. 15 13. Procédé de décodage de données préalablement codées dans un signal OFDM, le procédé comprenant des étapes de - détection (202) dans le signal OFDM : o d'un jeu de premières sous-porteuses ayant été modulées d'après un premier schéma de modulation, chaque première sous-porteuse ayant une première 20 fréquence sélectionnée dans un ensemble prédéterminé de fréquences mutuellement orthogonales, o d'un jeu de deuxièmes sous-porteuses, chaque deuxième sous-porteuse ayant une deuxième fréquence sélectionnée dans un ensemble prédéterminé de fréquences mutuellement orthogonales, et différente de chaque première 25 fréquence, chaque deuxième sous-porteuse présentant, outre sa deuxième fréquence, au moins une autre caractéristique physique adaptée pour distinguer la deuxième sous-porteuse de chaque première sous-porteuse au cours de l'étape de détection, - génération (204) d'une première donnée (X) en fonction des premières fréquences 30 détectées, - démodulation (206) des premières sous-porteuses modulées de sorte à extraire au moins une deuxième donnée (Y) transportée par les premières sous-porteuses. 35 25 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel : - il est détecté l'absence, dans le signal OFDM, d'une sous-porteuse en au moins une troisième fréquence de l'ensemble prédéterminé, - la première donnée (X) est générée en fonction de la combinaison des premières, 5 deuxièmes et troisièmes fréquences. 15. Procédé selon l'une des revendications 13 à 14, dans lequel au moins une première sous-porteuse a une première amplitude, et au moins une deuxième sous-porteuse a une deuxième amplitude différente de la première amplitude et utilisée pour distinguer la deuxième sous- 1 0 porteuse de chaque première sous-porteuse au cours de l'étape de détection. 16. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'étape de détection comprend, pour au moins une fréquence de l'ensemble prédéterminé, des sous-étapes de - application d'un filtrage sélectif en fréquence dans une bande comprenant ladite 15 fréquence au signal OFDM de sorte à produire une portion du signal OFDM en ladite bande, - comparaison de l'amplitude de la portion du signal OFDM avec au moins un parmi deux seuils prédéterminés différents, dans lequel la portion du signal OFDM est retenue comme première sous-porteuse, ou est retenue comme deuxième sous- 20 porteuse en fonction de la ou des deux comparaisons mises en oeuvre. 17. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la portion du signal OFDM n'est pas considérée être une sous-porteuse lorsque l'amplitude de cette portion est inférieure au plus petit des deux seuils prédéterminés. 18. Procédé selon l'une des revendications 13 à 17, comprenant en outre une étape de démodulation (208) des deuxièmes sous-porteuses d'après un deuxième schéma de modulation, de sorte à extraire au moins une troisième donnée (Z) transportée par les deuxièmes sous-porteuses. 19. Récepteur (2) de signal ODFM configure pour mettre en oeuvre le procédé de décodage selon l'une des revendications 13 à 18. 25 30