Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
DATA PROCESSING FOR DENOISING A SIGNAL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/025694
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to data processing for denoising a signal, including the steps of: a) receiving, at a time t-1, a noisy signal (SB) containing a useful signal and noise; and b) determining, from the received noisy signal (SB), an estimate (S) of the useful signal at a time t that is later than time t-1.

Inventors:
FAYAD, Farah (10 rue Noêl Donval, Lannion, Lannion, F-22300, FR)
BARDOUIL, Daniel (34 rue de Karrhent-Roz, Perros Guirec, Perros Guirec, F-22700, FR)
ZEDDAM, Ahmed (Convenant Botil, Perros Guirec, F-22700, FR)
GAUTHIER, Frédéric (1 rue des Hirondelles, Pleumeur Bodou, Pleumeur Bodou, F-22560, FR)
Application Number:
FR2011/051951
Publication Date:
March 01, 2012
Filing Date:
August 23, 2011
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
FRANCE TELECOM (6 Place d'Alleray, Paris, F-75015, FR)
FAYAD, Farah (10 rue Noêl Donval, Lannion, Lannion, F-22300, FR)
BARDOUIL, Daniel (34 rue de Karrhent-Roz, Perros Guirec, Perros Guirec, F-22700, FR)
ZEDDAM, Ahmed (Convenant Botil, Perros Guirec, F-22700, FR)
GAUTHIER, Frédéric (1 rue des Hirondelles, Pleumeur Bodou, Pleumeur Bodou, F-22560, FR)
International Classes:
H04B3/28; H04B3/46; H04L25/03
Foreign References:
DE10235205A12004-02-19
Other References:
RAO S S ET AL: "A noise-reduction neural network as a preprocessing stage in the SVD based method of harmonic retrieval", 1990 IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON CIRCUITS AND SYSTEMS 1-3 MAY 1990 NEW ORLEANS, LA, USA, 1 mai 1990 (1990-05-01), - 3 mai 1990 (1990-05-03), pages 491-494 VOL.1, XP002617193, 1990 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (Cat. No.90CH2868-8) IEEE New York, NY, USA DOI: DOI:10.1109/ISCAS.1990.112093
ILUMOKA A A: "Efficient and accurate crosstalk prediction via neural net-based topological decomposition of 3-D interconnect", IEEE 9TH TOPICAL MEETING ON ELECTRICAL PERFORMANCE OF ELECTRONIC PACKAGING 23-25 OCT. 2000 SCOTTSDALE, AZ, USA, vol. 24, no. 3, 3 août 2001 (2001-08-03), pages 268-276, XP002617194, IEEE Transactions on Advanced Packaging IEEE USA ISSN: 1521-3323, DOI: DOI:10.1109/6040.938293
None
Attorney, Agent or Firm:
FRANCE TELECOM R&D/PIV/BREVETS (BENETIERE, Marion38-4, rue du Général Leclerc Issy Moulineaux Cedex 9, F-92794, FR)
Download PDF:
Claims:
REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement de données pour le débruitage d'un signal, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes :

a) recevoir, à un temps t-1, un signal bruité (SB) contenant un signal utile (S) et un bruit (B), et b) déterminer, à partir du signal bruité (SB) reçu, une estimation ( S ) du signal utile (S) à un temps t postérieur au temps t-1.

la détermination de l'étape b) étant réalisée par un réseau de neurones (5),

l'étape b) comprenant une opération de prétraitement dudit signal bruité (SB), comprenant une décomposition modale empirique du signal bruité en une somme de composantes (IMF).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de neurones (5) est un perceptron multi-couches.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que des entrées du réseau de neurones (5) reçoivent respectivement lesdites composantes (IMF) au temps t-1, une sortie du réseau de neurones (5) donnant une estimation ( S ) dudit signal utile au temps t.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape b) comprend une opération de filtrage dudit signal bruité (SB) par un filtre passe-bande.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de détection d'un bruit dans un signal provenant d'un dispositif d'émission (1), les étapes a) et b) étant exécutées lorsque le signal provenant du dispositif d'émission (1) a été identifié, à un instant donné, comme un signal bruité (SB).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une étape postérieure de correction de phase pour compenser un retard d'une portion du signal traitée par les étapes a) et b) par rapport à une portion du signal non traitée, et une étape postérieure de multiplexage pour reconstituer un signal à partir des portions traitées et non traitées.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal émis par ledit dispositif d'émission (1) est transmis par une transmission de type Courant Porteur en Ligne.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de décodage du signal utile estimé ( S ).

9. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 lorsque ce programme est exécuté par un processeur.

10. Dispositif de débruitage (3) d'un signal, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réception configurés pour recevoir, à un temps t-1, un signal bruité (SB) contenant un signal utile (S) et un bruit (B), et des moyens de détermination configurés pour déterminer, à partir du signal bruité (SB) reçu, une estimation ( S ) du signal utile (S) à un temps t postérieur au temps t-1, les moyens de détermination comportant un réseau de neurones (5) et des moyens de prétraitement dudit signal bruité, les moyens de prétraitement étant configurés pour réaliser une décomposition modale empirique du signal bruité en une somme de composantes.

11. Dispositif de réception (2) comportant des moyens de réception configurés pour recevoir un signal émis par un dispositif d'émission (1), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de débruitage (3) selon la revendication 10.

Description:
Traitement de données pour le débruitage d'un signal

La présente invention concerne le domaine des télécommunications. En particulier, la présente invention vise un traitement de données pour le débruitage d'un signal. La présente invention vise notamment l'annulation d'un bruit par exemple de type impulsif présent sur une ligne à courant porteur (CPL).

En effet, dans un exemple d'application d'une transmission par CPL, l'utilisation du réseau électrique comme support de transmission haut débit pour les communications sur courant porteur en ligne présente des inconvénients liés aux perturbations électromagnétiques. Celles-ci peuvent provenir de l'installation du client et parfois aussi d'autres installations voisines. Ces perturbations électromagnétiques peuvent limiter le débit et la qualité de service (QoS) des flux transmis par les modems CPL, ce qui provoque notamment, dans le cadre des flux vidéo, des pixellisations et des gels d'images.

Actuellement, pour améliorer la qualité de service des transmissions CPL, on utilise par exemple un Code Correcteur d'Erreurs (CCE). Cependant, cette solution présente une efficacité limitée.

Des mécanismes de retransmission de type ARQ (Automatic Repeat reQuest) peuvent également être utilisés. Cependant, ces retransmissions, qui sont dues à un échec du code correcteur d'erreurs, introduisent une perte de débit.

La présente invention vient améliorer la situation.

A cet effet, l'invention propose un procédé de traitement de données pour le débruitage d'un signal. Le procédé comprend en particulier des étapes :

a) recevoir, à un temps t-1, un signal bruité contenant un signal utile et un bruit, et

b) déterminer, à partir du signal bruité reçu, une estimation du signal utile à un temps t postérieur au temps t-1.

La détermination de l'étape b) est réalisée par un réseau de neurones.

L'étape b) comprend une opération de prétraitement dudit signal bruité, comprenant une décomposition modale empirique du signal bruité en une somme de composantes.

Ce procédé permet d'annuler un bruit impulsif venant s'ajouter à un signal utile. La qualité du signal utile reçu peut ainsi être améliorée, ce qui permet d'obtenir une bonne qualité de service (QoS). En outre, ce procédé peut être combiné avec un Code Correcteur d'Erreurs (CCE), et permet alors d'augmenter la capacité du pouvoir correcteur du CCE. Le prétraitement permet de faciliter les étapes ultérieures du procédé de débruitage. L'utilisation d'un réseau de neurones permet de se dispenser d'effectuer une modélisation paramétrique des processus étudiés. En effet, une telle modélisation est toujours approchée, compliquée et limitée.

Le réseau de neurones est par exemple un perceptron multi-couches.

Des entrées du réseau de neurones peuvent recevoir respectivement les composantes au temps t-1, une sortie du réseau de neurones donnant une estimation du signal utile au temps t.

L'étape b) peut comprendre une opération de filtrage du signal bruité par un filtre passe- bande. Le filtre passe-bande permet d'améliorer les performances du débruitage, et notamment d'éliminer les composantes du bruit hors bande d'émission du signal utile.

Le procédé peut comprendre une étape préalable de détection d'un bruit dans un signal provenant d'un dispositif d'émission. Les étapes a) et b) sont alors exécutées lorsque le signal provenant du dispositif d'émission a été identifié, à un instant donné, comme un signal bruité.

Le procédé peut également comporter une étape postérieure de correction de phase pour compenser un retard d'une portion du signal traitée par les étapes a) et b) par rapport à une portion du signal non traitée, et une étape postérieure de multiplexage pour reconstituer un signal à partir des portions traitées et non traitées.

Le signal émis par ledit dispositif d'émission est par exemple transmis par une transmission de type Courant Porteur en Ligne.

Le procédé peut comprendre une étape de décodage du signal utile estimé. Le débruitage prédictif permet alors d'annuler, en amont du processus de décodage, la majeure partie des erreurs, éventuellement toutes.

Les étapes du procédé peuvent être exécutées par un programme informatique. L'invention vise donc également un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé précité lorsque ce programme est exécuté par un processeur.

Le procédé peut être mis en œuvre dans un dispositif adapté. L'invention vise donc également un dispositif de débruitage d'un signal, comprenant des moyens de réception configurés pour recevoir, à un temps t-1, un signal bruité contenant un signal utile et un bruit, et des moyens de détermination configurés pour déterminer, à partir du signal bruité reçu, une estimation du signal utile à un temps t postérieur au temps t-1. Les moyens de détermination comportent un réseau de neurones et des moyens de prétraitement du signal bruité. Les moyens de prétraitement sont configurés pour réaliser une décomposition modale empirique du signal bruité en une somme de composantes.

Le dispositif de débruitage peut être intégré dans un dispositif de réception. L'invention vise donc également un dispositif de réception comportant des moyens de réception configurés pour recevoir un signal émis par un dispositif d'émission, et un dispositif de débruitage tel que précité.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : la Figure 1 est un schéma fonctionnel montrant un système de communication comprenant un dispositif de débruitage selon un mode de réalisation de l'invention ;

la Figure 2 est un graphe représentant un signal utile émis par un dispositif d'émission du système de communication de la figure 1 ;

la Figure 3 est un graphe représentant un bruit perturbant le signal utile ;

la Figure 4 est un graphe représentant un signal bruité contenant le signal utile et le bruit ; la Figure 5 est un schéma fonctionnel montrant le dispositif de débruitage ;

la Figure 6 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de débruitage selon un mode de réalisation de l'invention, cet organigramme pouvant représenter l'algorithme général du programme informatique au sens de l'invention ;

la Figure 7 est un ensemble de graphes représentant une décomposition du signal bruité ; la Figure 8 est un schéma fonctionnel montrant un réseau de neurones du dispositif de débruitage ;

la Figure 9 est un ensemble de graphes représentant respectivement le signal utile (courbe 12), le signal bruité (courbe 10), et un signal débruité par le procédé de débruitage (courbe i l); et

la Figure 10 est un organigramme illustrant les étapes d'un procédé de test du procédé de débruitage.

La Figure 1 représente un système de communication comportant un dispositif d'émission 1 et un dispositif de réception 2.

Le dispositif d'émission 1 comporte des moyens d'encodage configurés pour encoder un signal S (Figure 2) à transmettre, et des moyens d'émission configurés pour transmettre le signal S encodé à destination du dispositif de réception 2. L'encodage du signal S est par exemple de type OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Le signal S est par exemple émis dans la bande de fréquence 1.8 MHz-30 MHz. Le dispositif de réception 2 comporte des moyens de réception configurés pour recevoir le signal S transmis par le dispositif d'émission 1, et des moyens de décodage configurés pour décoder le signal S reçu.

La transmission est par exemple de type CPL (Courant Porteur en Ligne). Dans ce cas, le dispositif d'émission 1 est un premier modem CPL et le dispositif de réception 2 est un deuxième modem CPL.

Lors de la transmission, le signal S, appelé signal utile, est déformé, notamment par les propriétés du canal de communication et par la présence de bruit. On s'intéresse en particulier à un bruit de type impulsif présent à l'intérieur des habitations, appelés bruit « indoor », qui est causé par les appareils électriques connectés au réseau électrique. Un tel bruit B peut être approximé par des sinusoïdes amorties isolées ou des rafales constituées de telles sinusoïdes accolées, comme représenté sur la Figure 3. Ces séquences perturbatrices sont généralement séparées par des intervalles de temps de l'ordre de la seconde ou moins.

On appelle signal bruité SB le signal utile S perturbé par le bruit B. En d'autres termes, le signal bruité SB contient le signal utile S et le bruit B, c'est-à-dire que SB=S+B. Une première portion PI du graphe de la Figure 4 représente le signal utile S et une deuxième portion P2 de ce graphe représente le signal bruité SB.

Le système de communication comporte un dispositif de débruitage 3, pour annuler l'effet du bruit impulsif B en amont du processus de décodage. Le dispositif de débruitage 3 est disposé entre le dispositif d'émission 1 et le dispositif de réception 2. Le dispositif de débruitage 3 peut être intégré dans le dispositif de réception 2, en amont des moyens de décodage.

En se référant à la Figure 5, le dispositif de débruitage 3 comporte un module 4 de prétraitement et un module 5 de détermination d'un signal estimé S .

Le module 4 de prétraitement permet de réaliser une décomposition modale empirique du signal bruité SB en une somme de composantes, comme décrit en détails plus loin. Le module 5 de détermination permet de déterminer, à partir de la décomposition, une estimation S du signal utile S.

Le dispositif de débruitage 3 comporte également un filtre passe bande, non représenté. Le filtre passe-bande est passant dans la bande de fréquences correspondant au signal utile S, par exemple dans la bande de fréquences 1.8MHz-30MHz. Le filtre passe-bande permet d'améliorer les performances du dispositif de débruitage 3, et notamment d'éliminer les composantes du bruit B hors bande.

Le système de communication comporte également un détecteur de bruit 6 (Figure 1) disposé entre le dispositif d'émission 1 et le dispositif de réception 2, en amont du dispositif de débruitage 3. A chaque instant t, le détecteur de bruit 6 détermine si le signal provenant du dispositif d'émission 1 est bruité ou non. On appelle SB(t) le signal bruité SB au temps t, et S(t) le signal utile S au temps t. Lorsque, à l'instant t, le signal provenant du dispositif d'émission 1 est identifié comme étant un signal bruité SB(t), le détecteur de bruit 6 transmet le signal SB(t) au dispositif de débruitage 3. Sinon, le détecteur de bruit 6 transmet le signal S(t), identifié comme non bruité, directement au dispositif de réception 2.

Le système de communication comporte un multiplexeur 7 permettant de recomposer dans le temps le signal estimé S à partir des portions du signal qui ont été traitées par le dispositif de débruitage 3 et des portions du signal non traitées. Le système de communication comporte en outre un correcteur de phase 8 disposé entre le détecteur de bruit 6 et le multiplexeur 7 pour compenser ou corriger le retard causé par le traitement du signal dans le dispositif de débruitage 3.

En se référant à la Figure 6, on décrit ci-dessous le procédé de débruitage mis en œuvre par le dispositif de débruitage 3.

A l'étape SI, le module 4 de prétraitement reçoit, à un temps t-1, le signal SB(t-l).

A l'étape S2, le module 4 de prétraitement prétraite le signal SB(t-l) en réalisant une décomposition modale empirique (EMD pour « Empirical Mode Décomposition »).

La décomposition EMD permet de séparer le signal SB(t-l) en une somme finie de modes oscillants, appelées composantes IMF (Intrinsic Mode Function) selon la formule :

SB(t - 1) =∑ IMF(t - 1) + r N+l (t - 1) où IMFj(t) désigne la composante IMF de rang i du signal bruité SB(t-l) au temps t-1, et r N+ i(t-l) désigne une moyenne locale du signal bruité SB(t-l), appelée tendance.

La Figure 7 représente un exemple de décomposition modale empirique où N=10. La première ligne représente le signal bruité SB, les lignes deux à onze représentent respectivement les composantes IMF et la dernière ligne représente la tendance r.

Les composantes IMF, modulées en fréquence et/ou en amplitude (AM/FM), sont des signaux à spectre étroit, plus facile à analyser. Le module 4 de prétraitement permet ainsi de faciliter les étapes ultérieures du procédé de débruitage.

A l'étape S3, le module 5 de détermination reçoit les composantes IMF(t-l) calculées à l'étape S2. Le module 5 de détermination comporte un réseau de neurones (RN), représenté sur la Figure 8. Le réseau de neurones 5 effectue le débruitage proprement dit en utilisant les composantes IMF obtenues par le prétraitement. Les composantes IMF^t-l) à IMF N (t-l) sont appliquées respectivement aux entrées 1 à N du réseau de neurones 5 à l'instant (t-1). La sortie du réseau de neurones 5 est donnée par le signal estimé S (t) au temps t, c'est-à-dire un pas de temps plus loin. Il s'agit donc d'un débruitage prédictif.

Les fenêtres temporelles d'entrée du réseau de neurones 5 sont adaptées aux caractéristiques des composantes IMF. Un réseau de neurones 5 permet de construire implicitement une représentation du système qui génère les données étudiées. Dans notre cas, les données sont des signaux, à savoir des composantes IMF.

Une phase d'apprentissage doit être appliquée au réseau de neurone 5 pour lui permettre de déterminer ultérieurement une représentation du système. La phase d'apprentissage est réalisée à l'aide d'une base de données représentative du problème abordé.

Une fois l'apprentissage effectué, le réseau de neurones 5 est apte à généraliser le traitement sur des données non apprises, c'est-à-dire n'appartenant pas à la base d'apprentissage. Ces données doivent posséder sensiblement les mêmes caractéristiques statistiques que celles de l'ensemble d'apprentissage. Dans notre cas, le traitement consiste en un filtrage prédictif. Ce traitement sur des données non apprises est appelé phase d'exploitation du réseau de neurones 5.

L'utilisation d'un réseau de neurones 5 permet de se dispenser d'effectuer une modélisation paramétrique des processus étudiés. En effet, une telle modélisation est toujours approchée, compliquée et limitée.

Le réseau de neurones 5 présente par exemple une architecture de type perceptron multicouche, à une seule couche cachée. La couche d'entrée du réseau de neurones est déterminée par les composantes IMFi(t-l) à IMF N (t-l). Le réseau de neurones 5 possède donc N informations en entrée. La couche cachée du réseau de neurones 5 comporte p neurones Mi à M P , p étant un nombre entier positif, chacun des p neurones M étant connecté aux N informations d'entrée. La couche cachée du réseau de neurones 5 possède p sorties, chaque neurone M renvoyant sa sortie.

Chaque sortie est donnée par l'équation suivante:

la fonction / désigne la fonction d'activation du neurone M, w ; ■ désigne le poids synaptique reliant l'information x i d'entrée et le neurone M j , et x i désigne la i eme information d'entrée, c'est-à-dire la composante IMFj dans l'exemple. Les sorties de la couche cachée du réseau de neurones 5 sont transmises à la couche de sortie du réseau de neurone 5. La sortie de la couche de sortie du réseau de neurone 5 détermine le signal estimé S (t). Le procédé permet ainsi de soustraire les perturbations susceptibles d'induire des erreurs dans le signal utile S démodulé et décodé, sans détériorer ce dernier. L'annulation du bruit impulsif B assure une bonne qualité de service (QoS) et permet une augmentation du débit.

En variante, l'étape S3 peut comprendre une opération intermédiaire de détermination d'une estimation B du bruit B, pour en déduire le signal estimé S . Cette opération intermédiaire peut permettre d'améliorer le procédé de débruitage, car le signal utile S apparaît généralement comme peu structuré, alors que le bruit impulsif B est structuré. Selon cette variante, on considère, au niveau du réseau de neurones 5, le bruit impulsif B comme un « signal utile » et le signal utile S comme un « bruit ». Le réseau de neurones 5 est alors configuré pour déterminer un bruit estimé B (t) à partir des composantes IMF^t-l) à IMF N (t-l).

On a SB=S+B. Le réseau de neurones 5 reçoit les composantes IMF^t-l) à IMF N (t-l) représentant le signal bruité SB(t-l) et en déduit un bruit estimé B (t).

L'étape S3 comprend alors une opération de soustraction du bruit estimé B (t) au signal bruité SB pour obtenir la valeur du signal estimé S (t) : S (t)=SB(t)- Z? (t).

En se référant à la Figure 10, on décrit ci-dessous un procédé de test du procédé de débruitage, dans le cas particulier d'une chaîne de transmission de type HomePlug AV.

A l'étape S10, le procédé de débruitage décrit précédemment est appliqué au signal bruité SB transmis sur la chaîne de transmission.

A l'étape SU, un Code Correcteur d'Erreurs (CCE) est appliqué sur le signal débruité estimé S déterminé à l'étape S 10.

A l'étape S12, on compare les erreurs en sortie avec et sans utilisation du procédé de débruitage.

Les taux d'erreurs binaires, ou BER (Bit Error Ratio), avec et sans débruitage, et avec et sans Code Correcteur d'Erreurs (CCE), sont représentés dans les tableaux 1 et 2 ci-dessous.

Nombre d'erreurs BER

Sans débruitage et 1367 1.2518*10-1

sans CCE

Avec débruitage et 210 1.923*10-2

sans CCE

Tableau 1

Nombre d'erreurs BER

Sans débruitage et 1335 1.6045*10-1

avec CCE

Avec débruitage et 0 0

CCE Tableau 2

Les tableaux 1 et 2 montrent que le procédé de débruitage permet de réduire le taux d'erreurs binaires entre les données émises et les données décodées. En outre, l'association du procédé de débruitage avec un code correcteur d'erreurs permet au code correcteur d'erreurs de décoder sans erreur les bits erronés, et donc d'obtenir un taux d'erreurs binaires amélioré. Dans l'exemple présenté dans les tableaux 1 et 2, l'association du procédé de débruitage avec le code correcteurs d'erreurs a permis de diminuer le nombre de bits erronés de 1367 à 210, ce qui a permis au code correcteurs d'erreurs de pouvoir tout corriger.

La Figure 9 montre le signal bruité SB (courbe 10), le signal utile S (courbe 11), et le signal débruité estimé S (courbe 12) qui est obtenu par le procédé de débruitage. Cette Figure permet d'évaluer l'amélioration fournie par le procédé de débruitage. En effet, le signal débruité estimé S se superpose sensiblement au signal utile S de référence, alors que le signal bruité SB se distingue nettement du signal utile S.

L'invention permet ainsi de garantir une bonne qualité du signal utile reçu, et d'améliorer les performances des systèmes en minimisant les erreurs de transmission et en assurant une qualité de service supérieure.

Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci- avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes.

Par exemple, l'invention n'est pas limitée au domaine des transmissions de type Courants porteurs en ligne (CPL) mais peut être appliquée à tout type de transmissions, notamment aux transmissions DSL (Digital Subscriber Line).