Brevet FR3083943A1 — publié le 20200117

Système de communications de signaux à en-tête comportant un dispositif d'émission répétitive Le domaine de l'invention est celui des systèmes de communications au sens large. Il peut s'appliquer aux systèmes de communications à haut débit et, en particulier aux systèmes de communications optiques par fibres optiques ou par voie de transmission aérienne. Le schéma général d'un système de communications optiques est représenté succinctement en figure 1. Il comporte classiquement des moyens d'émission 1, des moyens de transmission 2 et des moyens de réception 3. Les moyens d'émission génèrent un signal codé SE, le codage pouvant être un codage d'amplitude ou de fréquence ou de phase. Quel que soit le type de transmission, des perturbations peuvent intervenir, brouillant le signal S émis et le signal reçu vaut alors S+B, B étant représentatif du bruit introduit. Par exemple, dans le cas d'une transmission optique par voie aérienne, de nombreuses causes peuvent perturber le fonctionnement du système de communications. Il peut s'agir d'une baisse de performances de l'émetteur ou du récepteur. Il peut également s'agir de perturbations du canal de transmission. Les transmissions aériennes sont sensibles aux perturbations atmosphériques comme la pluie, la neige ou l'ensoleillement. Elles sont également sensibles aux objets situés entre l'émetteur et le récepteur. A partir d'un certain niveau de perturbations, le signal reçu n'est plus lisible et l'information est perdue. Pour pallier cet inconvénient, différentes solutions ont été proposées. Une première solution consiste à mettre en place un canal de communication annexe indépendant du canal principal, ayant généralement un débit plus faible. On comprend que cette solution est complexe à mettre en oeuvre. Une seconde solution consiste à modifier les caractéristiques du canal principal, ce qui peut présenter d'autres 2 inconvénients, en particulier au niveau des organes de codage et de décodage. Le système de communication selon l'invention ne présente pas 5 les inconvénients précédents. Il est essentiellement basé sur le fait que le bruit étant de nature aléatoire, lorsque l'on somme des signaux de même amplitude, le niveau de bruit n'augmente que comme la racine carrée des signaux sommés, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit du même facteur. Son avantage principal est qu'il n'introduit que des modifications 10 mineures et simples à mettre en place dans le système initial de communications. Enfin, il est compatible, sous certaines conditions, de l'utilisation sur porteur mobile. Plus précisément, l'invention a pour objet un système de communications de données comportant un canal principal comportant des moyens d'émission d'un message comportant un ensemble 15 de données, des moyens de transmission dudit message et des moyens de réception dudit message, caractérisé en ce que : - les moyens d'émission comportent un premier additionneur ajoutant au message un en-tête connu, ledit en-tête différent de toutes les données dudit message, un répétiteur permettant d'émettre un nombre de zo fois connu ledit message comportant ledit en-tête, la durée d'émission du message à en-tête étant connue ; les moyens de réception comportent : o un second additionneur ajoutant un nombre de fois identique au nombre d'émission les messages reçus, les messages 25 reçus ajoutés ayant la même durée de réception que la durée d'émission, o des moyens de recherche de l'en-tête transmis dans le message correspondant à la somme des messages reçus ; o Des moyens d'identification du message émis connaissant 30 l'emplacement de l'en-tête. Avantageusement, les données sont des signaux modulés à une fréquence de modulation, chaque message comportant de 1000 à 10 000 signaux. Avantageusement, le nombre de messages émis répétés est compris entre 10 et 10 000. 3 Avantageusement, le système est un système de communications optiques, les moyens de transmission du signal étant une fibre optique. Avantageusement, le système est un système de communications optiques, les moyens de transmission du signal étant l'espace libre. 5 Avantageusement, les moyens d'émission et/ou les moyens de réception sont mobiles et en ce que la vitesse différentielle entre les moyens d'émission et de réception étant connue, la longueur temporelle du message émis un nombre de fois étant connue, le temps d'émission d'une donnée étant connue, ce temps d'émission doit être supérieur au produit de la 10 vitesse différentielle par la longueur temporelle divisée par la vitesse de la lumière. Avantageusement, le nombre de fois où le message émis est répété dépend d'un paramètre de transmission. Avantageusement, le paramètre de transmission est l'atténuation 15 atmosphérique entre l'émetteur et le récepteur. Avantageusement, le paramètre de transmission est un objet situé entre l'émetteur et le récepteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente le schéma général d'un système de communications selon l'art antérieur ; La figure 2 représente le schéma général d'un système de 25 communications selon l'invention ; La figure 3 représente le fonctionnement de la partie émettrice du système de communications selon l'invention ; La figure 4 représente le fonctionnement de la partie réceptrice du système de communications selon l'invention. 30 Le système de communication selon l'invention fonctionne avec tous types d'émetteurs et de récepteurs qu'ils soient électroniques ou optiques et tous types de codage numérique. Les moyens mis en oeuvre correspondent essentiellement à des fonctions basiques en électronique, en 35 optique ou en informatique et sont à la portée de l'homme du métier. 4 A titre d'exemple, un système de communications selon l'invention est représenté sur la figure 2. Il comporte trois sous-ensembles qui sont : - des moyens d'émission 10; - des moyens de transmission 20; 5 - des moyens de réception 30. Les moyens d'émission 10 comportent : - des moyens électroniques 11 de génération du message à transmettre. Celui-ci comporte un certain nombre de données élémentaires. 10 Ce nombre de données est, par exemple, compris entre 1 000 et 10 000. Chaque donnée est un signal codé. Le codage du signal peut être un codage à modulation d'amplitude ou à modulation de fréquence ou à modulation de phase. A titre d'exemple, le codage du signal est de type « RZ ». Ce codage est un codage d'amplitude dans lequel l'amplitude d'un « un » binaire vaut A, 15 l'amplitude d'un « zéro » binaire vaut -A et dans lequel, après l'émission d'un bit, le signal retourne systématiquement à zéro. D'autres codages sont, bien entendu, possibles. Chaque donnée est émise à une fréquence connue. A titre d'exemple, cette fréquence vaut 1 GHz. A cette fréquence, la durée d'émission d'une donnée est donc d'une nanoseconde et la durée d'un 20 message comportant 10 000 données est de 10 ps. Il est essentiel que le message ait une durée fixe et connue. Si le message ne comporte pas suffisamment de données pour atteindre cette durée fixe, il est complété par des signaux convenus ou, tout simplement, par une absence de signaux ; - Des moyens électroniques de gestion 12 d'un en-tête connu, 25 cet en-tête étant différent de toutes les données du message. Cet en-tête peut être composé de plusieurs signaux. Il est nécessairement unique par message ; - un premier additionneur 13 ajoutant au message l'en-tête précédent ; 30 - un répétiteur 14 permettant d'émettre un nombre N de fois connu le message comportant l'en-tête. Ce nombre N peut varier, par exemple, entre 10 et 10 000. Si ce nombre vaut 100, en reprenant l'exemple précédent, la durée totale du message répété est de 1 ms. Le signal répété émis par le dispositif d'émission 15 peut être un 35 signal électronique ou un signal optique. Dans ce dernier cas, il y a alors 5 conversion du message électronique initial en message optique au moyen, par exemple, d'une diode électroluminescente ou d'une diode laser ou d'un laser. 5 Les signaux électroniques peuvent être transmis par des transmissions filaires ou en espace libre. Les signaux optiques peuvent être transmis par des liaisons à fibre optique ou en espace libre. Dans ce dernier cas, les moyens d'émission et de réception comportent des optiques d'émission et de réception adaptées. 10 Dans le cas d'une transmission aérienne, le nombre de fois où le message émis est répété peut dépendre d'un paramètre de transmission. Ce paramètre de transmission peut être l'atténuation atmosphérique entre l'émetteur et le récepteur soumise aux conditions météorologiques. Ces conditions météorologiques dépendent, par exemple, de la quantité 15 d'aérosols présents dans l'atmosphère, de la pluie ou de la neige. Le paramètre de transmission peut être un objet d'inter-visibilité situé entre l'émetteur et le récepteur qui atténue nécessairement le signal transmis. On peut également multiplier le nombre de signaux émis pour augmenter la portée optique du système. 20 Les moyens de réception 30 comportent : - des moyens de réception analogique 31 du signal émis au travers des moyens de transmission 20 ; - un second additionneur 32 ajoutant un nombre de fois N 25 identique au nombre d'émission les messages reçus, les messages reçus ajoutés ayant la même durée de réception que la durée d'émission. Par exemple, si le message initial émis a une durée de 10 ps et est répété 100 fois, l'additionneur 32 additionnera 100 fois des messages reçus d'une durée également de 10 ps. Il est impératif que cette durée de réception 30 corresponde très exactement à la durée d'émission de façon que les messages reçus additionnés soient tous en phase. Dans ce cas, la somme des messages additionnés représentent le message initial. Il comporte les mêmes données mais avec une amplitude N fois plus grande. On augmente ainsi le rapport signal sur bruit ; 6 - des moyens de recherche 33 de l'en-tête transmis dans le message correspondant à la somme des messages reçus. Ce message sommé peut être numérisé pour effectuer cette recherche. Par principe, cet en-tête est unique et dans la mesure où le rapport signal sur bruit est 5 amélioré, il est facile à détecter ; - Des moyens d'identification 34 du message émis connaissant l'emplacement de l'en-tête. Une fois cet emplacement connu, on connaît où se situe le commencement du message. 10 A titre d'exemple, les figures 3 et 4 représentent le fonctionnement de la partie émettrice et de la partie réceptrice du système de communications selon l'invention. Les messages successivement traités sont représentés dans des cartouches rectangulaires. Dans cet exemple, le message a envoyé correspond à la suite 15 alphabétique « ABCDEFG ». L'en-tête correspond au symbole «& ». Après l'additionneur 13, le message est donc : « &ABCDEFG ». On remarquera que la position de l'en-tête est sans importance à partir du moment où cette position est connue du système. Après mise en forme de façon à correspondre à un format et une durée d'émission standardisée, le message 20 à transmettre est représenté symboliquement par « &ABXAE(1)F°' ». Dans cet exemple, le nombre de données du message n'est pas suffisant pour couvrir la totalité de la durée d'émission standardisée, le message comporte donc un temps pendant lequel rien n'est émis, symbolisé par les symboles Ce message est répété N fois au moment de la transmission. On 25 obtient le message émis : « &AMCAEOF°°°' &AB)AE'DF°°°°&ABXAEDF°°°°&ABXAE'PF°°°° ». Après transmission, l'enregistrement du message reçu commence à un temps de référence décorrélé de l'horloge d'émission. C'est un des points forts du système selon l'invention. L'émission et la réception ne sont 30 pas synchronisées. Dans la mesure où l'enregistrement commence à un temps quelconque, les en-têtes peuvent se trouver n'importe où à l'intérieur des messages reçus. Ce message est : « 5c(Py""&apeccky°"°&af3x8$y""&aries$y°"°&a,13x.... ». 7 Le changement de police de caractère symbolise la transmission du message. Ce message est bruité. Le rapport signal à bruit Rsg vaut classiquement : RsB = 5 Si le bruit B est important, le message reçu ne peut être décrypté. Aussi, on somme le message reçu pendant des durées de réception, toutes parfaitement égales à la durée d'émission du message à en-tête. On additionne ces messages le même nombre de fois N que le message a été émis. On obtient le message « ADVF°°°°&ABX ». L'emploi des majuscules la symbolise la somme. L'amplitude du signal ainsi accumulé vaut donc NS. La somme de n signaux aléatoires d'amplitude moyenne B a une amplitude moyenne VKI" B Dans ce cas, le rapport signal à bruit RI vaut : R NS _ N .R SB TV 13 15 Par conséquent, ce rapport signal à bruit est environ ,17 plus élevé que le rapport signal à bruit des signaux transmis. Par exemple, si N vaut 100, on accroît le rapport signal à bruit d'un facteur 10. Par conséquent, le signal reçu sommé est beaucoup plus facilement exploitable que le signal reçu brut. A la réception, lors du processus de sommation répétitive, une 20 estimation de l'amélioration du rapport signal à bruit peut permettre d'interrompre le processus de sommation et de fournir le message plus rapidement. Il devient alors aisé de repérer l'en-tête de ce signal puis de le remettre dans le bon ordre pour obtenir le signal initial transmis 25 « « ABC DEF G ». Le repérage de l'en-tête est symbolisé par une inversion de contraste sur la figure 4. La qualité des périodes utilisées par l'émetteur et le récepteur vis-à-vis de la période PE de référence d'émission du message est essentielle pour que la sommation des N messages se fasse de manière efficace. Pour 30 illustrer cette précision dans le cas d'une fréquence de modulation f des signaux émis, chaque modulation dure un temps t, inverse de la fréquence de modulation. Pour une fréquence f de 1 GHz, ce temps t vaut 1 ns. Si la trame du message comporte M données et que ce nombre vaut 10000, la période PE du message dure M.t, soit 10 ps. 8 S'il y a besoin de sommer 100 trames pour améliorer d'un facteur 10 le rapport signal à bruit, la durée d'émission ou de réception T vaut N.M.t, soit pour 100 trames, une durée totale de 1 ms. Le signal reçu étant bruité, il n'y a pas la possibilité de détecter la 5 phase. Les moyens de réception doivent numériser le signal détecté à au moins deux fois la fréquence d'émission, soit, dans notre exemple, 2 GHz correspondant à un pas de numérisation p de 0.5 ns pour chaque donnée. Pour que les données se somment correctement, le glissement entre une donnée de la première trame et cette même donnée de la dernière 10 trame doit être inférieur à la moitié de ce pas p, soit 0.25 ns. La période PR appliquée par le récepteur ne doit donc différer de la période PE utilisée par l'émetteur que de la moitié du pas p pour ladernière donnée reçue. Dans ce cas, dans l'hypothèse d'une répartition uniforme de la tolérance entre l'émetteur et le récepteur, la tolérance- sur la fréquence de modulation 15 vaut : af f 4NM Dans cet exemple, on a: af -= 2.5.10-7 Cette tolérance est acceptable avec les systèmes standards. 20 La période P de référence est définie dans un repère absolu. Dans le cas où la distance de propagation de la lumière de l'émetteur au récepteur varie lors de la communication, des adaptations de la période utilisée par l'émetteur et celle utilisée par le récepteur sont nécessaires. C'est le cas lorsque la communication s'établit en espace libre. Si 25 l'émetteur et le récepteur sont immobiles, la période P est de même durée pour chacun. Ceci reste vrai tant que leur vitesse relative projetée sur la direction de propagation de la lumière est nulle, par exemple dans le cas de deux mobiles allant dans la même direction à la même vitesse, sous réserve que l'émetteur et le récepteur échangent des informations sur leurs positions 30 relatives. Mais si cette vitesse relative est non nulle, les périodes P utilisées par l'émetteur et le récepteur doivent être corrigées pour que la sommation des suites de données reste constructive. Pour éviter le besoin d'échanges 9 d'informations préalable à la communication, l'émetteur et le récepteur doivent corriger leur période en tenant compte de la projection de leur vecteur vitesse dans un repère absolu sur la direction de la propagation de la lumière. La correction doit permettre à la période appliquée projetée dans un 5 repère absolu soit dans la tolérance requise vis-à-vis de la période P de référence. Pour une durée d'émission totale égale à N.M.t, une vitesse relative v introduit un décalage temporel At sur la dernière donnée transmise d'un message égal à: = -.T = 10 c représentant la vitesse de la lumière. Le décalage relatif Mit vaut : At v = - .N t c A titre d'exemple et en reprenant les valeurs précédentes, si le message comporte 10000 données, s'il est répété 100 fois et si la vitesse 15 vaut 30 ms-1, soit un peu plus de 100 km/heure, alors le décalage relatif At/t vaut : At = 3.10' .104.102 =104 1 3.10- Ce décalage relatif reste négligeable devant la durée de transmission d'une donnée. Cette erreur vient en complément de celle de 20 l'erreur de la période effectivement appliquée vis-à-vis de la période P de référence. Cependant, pour des véhicules circulant à des vitesses relatives élevées comme des aéronefs, et pour éviter d'avoir à échanger leur vitesse et leur cap, l'émetteur et le récepteur doivent individuellement corriger leur période pour annuler la conséquence de leur vitesse de déplacement. De 25 même si l'émetteur s'adresse simultanément à plusieurs récepteurs. L'avantage principal du système est sa grande robustesse au bruit. En augmentant le nombre de signaux sommés, il est possible de diminuer le bruit dans des proportions très importantes. 30 Ce mode de transmission présente d'autres avantages. Il est facile à mettre en oeuvre et ne nécessite que des adaptations simples et mineures des électroniques d'émission et de réception. 10 Par ailleurs, il peut s'adapter à tous types de codage du signal et tous types de transmission. Il peut s'adapter à de mauvaises conditions de transmission. Il suffit d'augmenter le nombre de répétitions du message initial. 5 Il est particulièrement bien adapté à la transmission en espace libre. Il peut alors fonctionner entre porteurs mobiles sans nécessiter d'échanges d'informations ni de synchronisation préalables. Il suffit que l'émetteur et le récepteur fonctionnent à la même fréquence et connaissent la longueur exacte des messages transmis. Lorsque la vitesse relative des 10 porteurs est élevée, il suffit alors d'ajuster la fréquence de transmission à l'émission REVENDICATIONS1. Système de communications de données comportant un canal principal comportant des moyens d'émission (10) d'un message comportant un ensemble de données, des moyens de transmission (20) dudit message et des moyens de réception (30) dudit message, caractérisé en ce que : - les moyens d'émission comportent un premier additionneur (13) ajoutant au message un en-tête connu, ledit en-tête différent de toutes les données dudit message, un répétiteur (14) permettant d'émettre un nombre de fois connu ledit message comportant ledit en-tête, la durée d'émission du message à en-tête étant connue ; les moyens de réception comportent : o un second additionneur (32) ajoutant un nombre de fois identique au nombre d'émission les messages reçus, les messages reçus ajoutés ayant la même durée de réception que la durée d'émission, o des moyens de recherche (33) de l'en-tête transmis dans le zo message correspondant à la somme des messages reçus ; o Des moyens d'identification (34) du message émis connaissant l'emplacement de l'en-tête. 2. Système de communications de données selon la revendication 25 1, caractérisé en ce que les données sont des signaux modulés à une fréquence de modulation, chaque message comportant de 1000 à 10 000 signaux. 3. Système de communications de données selon l'une des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de messages émis répétés est compris entre 10 et 10 000. 4. Système de communications de données selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système est un 12 système de communications optiques, les moyens de transmission du signal étant une fibre optique. 5. Système de communications de données selon l'une des 5 revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le système est un système de communications optiques, les moyens de transmission du signal étant l'espace libre. 6. Système de communications de données selon la revendication 10 5, caractérisé en ce que les moyens d'émission et/ou les moyens de réception sont mobiles et en ce que la vitesse différentielle entre les moyens d'émission et de réception étant connue, la longueur temporelle du message émis un nombre de fois étant connue, le temps d'émission d'une donnée étant connue, ce temps d'émission doit être supérieur au produit de la 15 vitesse différentielle par la longueur temporelle divisée par la vitesse de la lumière. 7. Système de communications de données selon la revendication 5, caractérisé en ce que le nombre de fois où le message émis est répété 20 dépend d'un paramètre de transmission. 8. Système de communications de données selon la revendication 7, caractérisé en ce que le paramètre de transmission est l'atténuation atmosphérique entre l'émetteur et le récepteur. 9. Système de communications de données selon la revendication 7, caractérisé en ce que le paramètre de transmission est un objet situé entre l'émetteur et le récepteur. 25 30