Brevet FR3076413A1 — publié le 20190705

Retro-propagation d'erreur pour une chaine de demodulation en aveugle d'un signal de telecommunication numerique DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La presente invention concerne generalement les methodes et systemes de traitement du signal en telecommunications numeriques, et plus particulierement la demodulation aveugle de signaux mono-polarisation et bipolarisation. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION En telecommunications numeriques, un emetteur cherche transmettre une suite de bits d'information a un (ou plusieurs) recepteur(s). L'emetteur effectue une suite d'operations de codage afin de rendre possible latransmission de l'information sur un support physique que l'on appelle aussi canal de propagation (tel qu'une fibre optique, ou tel qu'est plus particulierement le cas ici, par propagation non contrainte dans l'espace). Ce canal de propagation n'est, generalement, pas parfait dans le sens °Ca le signal recu n'est pas une replique exacte du signal emis (perturbationsthermiques, reverberations, dispersion). Au niveau de l'emetteur, on se donne une constellation ( « Amplitude-shift keying » ASK ou modulation par deplacement d'amplitude est une forme de modulation d'amplitude qui represente les donnees numeriques en tant que variations de ('amplitude d'une onde porteuse ; « Phase-shift keying » M-PSK ou modulation par changement de phase designant une famille de formes de modulations numeriques qui ont toutes pour principe de vehicule de l'information binaire via la phase d'un signal de reference ; « Quadrature amplitude modulation » M-QAM ou modulation d'amplitude en quadrature est a la fois un schema numerique et analogique qui transmet deux signaux de messages analogiques ou deux flux binaires numeriques, en modifiant/modulant les amplitudes de deux ondes porteuses, en utilisant le 2 schema de modulation ASK ou le modele de modulation analogique) qui est un ensemble fini de symboles dans le plan complexe et une fonction qui a nombre defini de bits consecutifs associant un symbole de Ia constellation. Chaque symbole de Ia suite est multiplie par une forme d'onde continue (ou 5 filtre de mise en forme), decalee dans le temps pour former le signal en bande de base. Ce signal en bande de base est transpose a une certaine frequence, dite frequence porteuse, puis ernis par une interface radio (une antenne dans le cas d'une transmission sans fil).A Ia reception, on effectue les operations inverses pour reconstituer les bits d'information a partir du 10 signal mesure sur ('interface radio. Notamment,, Ia demodulation est l'operation qui identifie a la reception les symboles effectivement emis par l'emetteur a partir du signal rep. On parle de demodulation aveugle des qu'un des parametres de Ia transmission est inconnu de l'emetteur. En telecommunications cooperatives, 15 Ia plupart des parametres sont definis par contrat entre l'emetteur et le recepteur (frequence de porteuse, type de constellation, decalage temporel entre les formes d'onde, puissance dremission). Les seules inconnues qui subsistent sont d'eventuelles erreurs de synchronisation et I'effet du canal de propagation. Ces parametres sont, en general, estimes par emission 20 reguliere de sequences, dites pilotes connues des deux parties. L'operation compensant les effets du canal avant demodulation est appelee egalisation. En telecommunications non cooperatives en revanche, l'integralite des parametres est inconnue, ou connue en ordre de grandeur seulement, et it n'y a pas de sequences pilotes pour faciliter !legalisation. 25 Un des buts du brevet FR3030964 est de proposer des methodes permettant de separer et de demoduler en aveugle deux signaux numeriques stables numeriquement et utilisant un algorithme d'esperance maximisation. Cependant, une telle methode est encore trop demandeuse en temps de calcul. Par ailleurs, ce document ne s'applique qu'a une seule voie. 30 3 DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION La presente invention a pour but de pallier certains inconvenients de l'art anterieur en proposant une solution permettant d'optimiser et de faciliter Ia demodulation en aveugle des signaux de telecommunication numeriquepour definir le plus precisement possible les caracteristiques des signaux, tout en rendant possible !Implementation en temps reel. A cet effet, la presente invention concerne une methode temps reel de demodulation aveugle de signaux de telecommunication numerique, a partir de ('observation d'une version echantillonnee de ce signal o La methode comprend les etapes suivantes acquisition par un echantillonnage d'une premiere pluralite du signal pour constituer chacune une entrée d'un reseau de L blocs de traitement aussi appeIes ici « neurones specialises », chaque neurone etant simule par les sorties du bloc precedent, Ia premiere pluralite du 15 signal etant soumise en entrée au premier bloc simulant un premier neurone du reseau pour generer une pluralite de sorties du premier bloc; chaque neurone F1 etant simule par les sorties d'une chaine amont Gi et stimulant une chaine aval ; chaque jeu d'echantillons parcourt Ia meme chaine de traitement ; 20 - les sorties des derniers blocs du reseau correspondent idealement aux symboles demodules ; - ajout d'une non linearite a chacune des sorties du dernier bloc du reseau permettant de calculer un signal d'erreur et propagation de cette erreur dans le sens inverse de la chaine de traitement 25 (« retropropagation ») ; - estimation a reception par chaque neurone (i) de l'erreur d'un terme correctif S ei et mise a jour dans chaque bloc de Ia valeur du parametre 0, selon ei+= SO i. Selon une autre particularite, chaque neurone du reseau realise 30 specifiquement 4 - un traitement d'une fonction « Next » , implementee et mise en oeuvre dans un sous bloc logique de traitement (Fi(N)), pour generer des sorties a partir d'une pluralite d'observation du signal et les transmettre au bloc de traitement du neurone suivant du reseau ; cette fonction s'ecrit de 5 fawn generale sous la forme (X,+i,o, --- ,Xt+i,m,±1_1) = next(Xim, --- , avec mi le nombre d'entrees et mt+ile nombre de sortie de Fi(N) qui correspond au nombre d'entrees de FiV ; - un traitement d'une fonction « Propagate », implementee et mise en oeuvre dans un sous bloc logique « Propagate » (Fi(1))) pour calculer les to erreurs ---, ei+Lmt+i_i) fournies par le bloc Fi(+P1 ou par (eL_1,o, '- - , eL-1,N-1) = (e0,--- ,eN_i) avec ej = zj - yj en bout de chaine soit ('entree FL(F9i; pour le i-eme neurone, cette fonction s'ecrit de fawn generale sous la forme (eo, --- = propagate(ei+to, - -- , ei+Lmt+i_i) - un traitement d'une fonction « Update » , implementee et mise en 15 oeuvre dans un sous bloc logique « Update » ( FP)), pour calculer les parametres correctif 50i a appliquer a la valeur courante du parametre memorise en interne of a partir des erreurs (ei±to, --- renvoyees par le sous bloc Fi(+13?; cette fonction s'ecrit de facon generale sous la forme So, = update(e,+1,0, --- , 20 Selon une autre particularite, chaque neurone comprend au moins une implementation et une mise en oeuvre d'une suite de traitements elementaires de la forme : - le sous bloc Fi(N) realise E Kqg 25 avec qv un entier et K l'espace des nombres reels ou l'espace des nombres complexes le sous bloc Fi(P)realise(eo, --- , = propagate(e,±1,0, --- , - le SOUS bloc Fi(u)realise SO, = update(ei+1,0, --- , et+1,m,+1-1) Selon une autre particularite, l'ajout de Ia non-linearite a la sortie du dernier bloc (11) du reseau est mise en oeuvre par Ia fonction : 5 zi = NL(y)) dans laquelle zj est le signal sortant d'un organe de decision du dernier bloc yj est un echantillon egalise ou demodule le bloc de decision etant defini par la comparaison du resultat obtenu 5 par la sortie y du bloc phase avec une constellation finie de resultats possibles memorises par le bloc de decision, et decidant de prendre parmi les resultats possibles, celui dont la distance avec le point representatif de la sortie y est Ia plus petite Selon une autre particulate, la retropropagation des erreurs calculees 10 est obtenue par les traitements, implementes et mise en oeuvre par un algorithme de retropropagation de I'erreur, suivants : - Initialisation de la retropropagation sous la forme pour 0 5_ k > pour traiter des problemes d'interception de communications et plus particulierement de demodulation aveugle de signaux telecommunication. 25 En effet, un signal d'entree traverse une chaine de neurones specialises; chaque neurone realise une fonction particuliere parametree par un ensemble de valeurs. Les valeurs des reglages de chaque neurone specialise est a priori inconnu. Une non linearite est appliquee au resultat en bout de chaine permettant de calculer une « erreur ». II est alors possible de 30 retropropager cette erreur dans la chaine de traitement comme it est fait en 23 apprentissage par reseau de neurones pour faire evoluer Ia valeur de chaque parametre de chaque bloc vers une valeur plus pertinente. La presence invention concerne en outre une utilisation dans un 5 systeme de demodulation en aveugle d'un signal de telecommunication. Le systeme de demodulation ou de recherche en aveugle des caracteristiques du signal, comprend au moins un reseau de neurones specifiques. Dans certains modes de realisation, un premier neurone specialise du reseau comprend au moins un filtre permettant d'acquerir le signal en 10 aveugle et au moins un module d'amplification permettant d'amplifier les signaux pour evaluer par Ia suite les caracteristiques des signaux. Dans certains modes de realisation, le module d'amplification peut etre dispose dans un neurone different du premier neurone. Un second neurone specialise comprend au moins un module de frequence pour determiner les 15 frequences des signaux ernis en aveugle et/ou au moins un module de phase pour determiner les valeurs de phase desdits signaux. Dans certains modes de realisation, le module de phase peut etre dispose dans un neurone differend du second neurone. Un troisierne neurone specialise comprend un module de decision pour calculer un signal d'erreur et de retropropager les 20 erreurs calculees a chacun des blocs residue's des neurones precedents. La methode selon l'une quelconque des modes de realisation precedents, est appliquee pour determiner les caracteristiques du signal emis en aveugle (par exemple, ('amplitude, la frequence et la valeur de phase des signaux). Dans certains modes de realisation, la methode de demodulation 25 aveugle peut etre appliquee dans le cas de la demodulation d'un signal mono-voie (comme represente par exemple sur la figure 3) et/ou d'un signal multi-voies (comme represente par exemple sur les figures 4 et 5). Dans certains modes de realisation, pour un signal de type multivoies, outre la demodulation de chaque voie, la methode permet Ia 30 separation des differentes voles en aveugle. 24 La presente demande decrit diverses caracteristiques techniques et avantages en reference aux figures et/ou a divers modes de realisation. L'homme de métier comprendra que les caracteristiques techniques d'un 5 mode de realisation donne peuvent en fait etre combinees avec des caracteristiques d'un autre mode de realisation a moins que l'inverse ne soit explicitement mentionne ou qu'il ne soit evident que ces caracteristiques sont incompatibles ou que la combinaison ne fournisse pas une solution a au moins un des problemes techniques mentionnes dans la presente demande. 10 De plus, les caracteristiques techniques decrites dans un mode de realisation donne peuvent etre isolees des autres caracteristiques de ce mode a moins que l'inverse ne soit explicitement mentionne. II doit etre evident pour les personnes versees dans l'art que la presente invention permet des modes de realisation sous de nombreuses 15 autres formes specifiques sans l'eloigner du domaine d'application de ('invention comme revendique. Par consequent, les presents modes de realisation doivent etre consideres a titre d'illustration, mais peuvent etre modifies dans le domaine defini par la portee des revendications jointes, et ('invention REVENDICATIONS1. Methode temps reel de demodulation aveugle de signaux de telecommunication numerique, a partir de ('observation d'une version 5 echantillonnee de ce signal, Ia methode etant caracterisee en ce qu'elle comprend les etapes suivantes : - acquisition par un echantillonnage d'une premiere pluralite du signal pour constituer chacune une entrée d'un reseau de L blocs de traitement (Gi, Fi, aussi appeles ici e neurones specialises », chaque 10 neurone etant simule par les sorties du bloc precedent, Ia premiere pluralite du signal etant soumise en entrée au premier bloc simulant un premier neurone du reseau pour generer une pluralite de sorties du premier bloc; chaque neurone F1 etant simule par les sorties d'une chaine amont Gi et stimulant une chaine aval F11 ; chaque jeu 15 d'echantillons parcourt Ia merne chaine de traitement ; - les sorties des derniers blocs du reseau correspondent idealement aux symboles &modules ; - ajout d'une non linearite a chacune des sorties du dernier bloc du reseau permettant de calculer un signal d'erreur et propagation de cette 20 erreur dans le sens inverse de Ia chaine de traitement (« retropropagation ») ; - estimation a reception par chaque neurone (i) de l'erreur d'un terme correctif S Oi et mise a jour dans chaque bloc de la valeur du parametre Oi selon Oi+= 89i. 25 2. Methode selon la revendicatiori 1, caracterisee en ce que chaque neurone (F1) du reseau realise specifiquement : - un traitement d'une fonction « Next » , implementee et mise en oeuvre dans un sous bloc logique de traitement (e)), pour generer des sorties a partir d'une pluralite d'observation du signal et les transmettre au bloc de 30 traitement du neurone suivant du reseau ; cette fonction s'ecrit de fawn generale sous Ia forme (Xj+1,0, - - - , = next(Xim, avec mi 2 le nombre d'entrees et mi.file nombre de sortie de Fi(N) qui correspond au nombre d'entrees de FiT2 - un traitement d'une fonction « Propagate », implementee et mise en oeuvre dans un sous bloc logique « Propagate » ( Fi(P)) pour calculer les erreurs (ei+1,0,--- , fournies par le bloc Fi(.4.P; ou par (eL-1,0,--- eL.-1,N-1) Leo, .-- eN-1) avec ei = yj en bout de chaine soit ['entree Fin; pour le i-time neurone, cette fonction s'ecrit de fagon generale sous la forme (e1,0, --- ,ei,m1-i) = propagate(ei+Lo, - - - , - un traitement d'une fonction « Update » , implementee et mise en 10 oeuvre dans un sous bloc logique « Update » ( Fin, pour calculer les parametres correctif 80i a appliquer a la valeur courante du parametre memorise en interne Ot a partir des erreurs (ei+1,0, , renvoyees par le sous bloc Fi(+11; cette fonction s'ecrit de fagon generale sous Ia forme 80i = update(ei+1,0, -- - , 15 3. Methode selon Ia revendication 2, caracterisee en ce que chaque neurone ( ) comprend au moins une implementation et une mise en oeuvre d'une suite de traitements elementaires de Ia forme : - le sous bloc Fi(N0realise(Xi+1,0,---,Xi+l,mi+i-1) = next(Xi,o, - - - ,Ximic_i), Xii E 100 20 avec q-1 un entier et K l'espace des nombres reels ou I'espace des nombres complexes le sous bloc Fi(P)realise(eo, , = propagate(ei+Lo, , le sous bloc enrealise SO, = update(e,+", --- , ez+Lmi+1_1) 4. Methode selon ['une des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que l'ajout de la non-linearite a la sortie du dernier bloc (Hi') du reseau est mise 25 en oeuvre par la fonction : zi = NL(yi) dans laquelle zj est le signal sortant d'un organe de decision du dernier bloc yi est un echantillon egalise ou demodule 3 - le bloc de decision etant defini par Ia comparaison du resultat obtenu par la sortie y du bloc phase avec une constellation finie de resultats possibles memorises par le bloc de decision, et decidant de prendre parmi les resultats possibles, celui dont la distance avec le point 5 representatif de la sortie y est la plus petite 5. Methode selon la revendication 1 a 4, caracterisee en ce que la retropropagation des erreurs calculees est obtenue par les traitements, implementes et mise en oeuvre par un algorithme de retropropagation de l'erreur, suivants : - Initialisation de la retropropagation sous la forme pour 0 k 6. Methode selon Ia revendication 5, caracterisee en ce que Ia mise jour des parametres internes ei de chaque neurone Fi est obtenue dans le sous neurone Fr) par les traitements, implementes et mise en oeuvre dans la fonction 80i = update(ei+1,0,---,ei+L',i+i_i) selon : o Calcul de Ai : aF.7) - Pour() 7. Methode selon l'une quelconque des revendications 2 a 6, caracterisee en ce qu'au flu du traitement des echantillons en entrée du systeme par les differents sous-blocs, les valeurs des differents ei initialisees de facon arbitraire, convergent vers des valeurs rendant la demodulation 5 effective. 8. Methode selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterisee en ce que le reseau de neurones specialise constitue une suite de blocs de type MIMO (« multi inputs, multi outputs »). 9. Methode selon l'une des revendications 1 a 8, caracterisee en ce 10 qu'elle comprend en outre le stockage par au moins un tampon memoire de la pluralite d'entree et dans au moins un autre tampon de Ia pluralite de sorties de chaque neurone specialise du reseau. 10. Methode selon l'une des revendications 1 a 9, caracterisee en ce que ('acquisition par un echantillonnage est realisee sur deux signaux d'entree. 15 11. Methode selon une des revendications 1 a 10, caracterisee en ce qu'elle est appliquee dans un certain schemas mono-voie sur un autre equipement permettant de demoduler un signal mono-voie de modulation lineaire en compensant : l'amplification du signal, sa phase, son residu de porteuse, les effets du canal de propagation. 20 12. Methode selon une des revendications 1 A 10, caracterisee en ce qu'a l'initialisation du systeme informatique constituant un demodulateur des parametres e, sont fournis par defaut par une memoire du systeme, dans les premiers instants de Ia mise en oeuvre de la methode, le systeme permettant la convergence des parametres e, vers des valeurs pertinentes. 25 13. Methode selon une des revendications 1 a 10, caracterisee en ce que, lorsque les distances entre les valeurs calculees et celles memorisees p et definissant un voisinage sont inferieures a certains seuils pre memorises par le dispositif, les sorties du dispositif sont alors delivrees a un appareil d'utilisation. 14. Produit programme d'ordinateur implemente sur un support memoire, mis en ceuvre au sein d'une unite de traitement informatique, soit 5 par un hardware ou une combinaison hardware et firmware, et comprenant des instructions pour la mise en oeuvre d'une methode selon l'une quelconque des revendications precedentes. 15. Utilisation dans un systerne de demodulation en aveugle d'un signal 5 de telecommunication, le systeme comprenant au moins un reseau de neurones specialises chacun definissant respectivement un filtrage par un premier neurone specialise, un gain d'amplification par un second neurone specialise, la frequence du signal par un troisieme neurone specialise et la valeur de phase du signal par un quatrierne neurone specialise ; caracterise 10 en ce que la methode, selon I'une quelconque des revendications 1 a 13, est mise en oeuvre pour determiner les caracteristiques du signal emis en aveugle.