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Title:
METHOD FOR TRANSMITTING AN OFFSET MODULATED BIORTHOGONAL MULTICARRIER SIGNAL (BFDM/OM)
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/024470
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a method for transmitting a biorthogonal multicarrier signal BFDM/OM, using a transmultiplexer structure providing: a modulating step, using a synthesis filter bank (11), having two 2M parallel branches, M $m(G) 2, each supplied by source data, and comprising an expander of order M and filtering means; a demodulating step, using an analysis filter bank (12), having two 2M parallel branches, each comprising a decimation unit of order M and filtering means, and delivering received data representing said source data; said filtering means being derived from a predetermined prototype modulating function.

Inventors:
Siohan, Pierre (25 rue Maurice Haye Rennes, F-35200, FR)
Siclet, Cyrille (16 rue Plançon Besançon, F-25000, FR)
Application Number:
PCT/FR2000/002716
Publication Date:
April 05, 2001
Filing Date:
September 29, 2000
Export Citation:
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Assignee:
France, Telecom (6 place d'Alleray Paris, F-75015, FR)
Telediffusion, France DE. (10 rue d'Oradour-sur-Glane Paris Cedex 15, F-75732, FR)
Siohan, Pierre (25 rue Maurice Haye Rennes, F-35200, FR)
Siclet, Cyrille (16 rue Plançon Besançon, F-25000, FR)
International Classes:
H04J11/00; H04J4/00; H04L27/00; H04L27/26; (IPC1-7): H04L27/26; H04L27/00
Foreign References:
FR2765757A1
Other References:
G. STRANG AND T. NGUYEN: "Wavelets and Filter Banks" 1996 , WELLESLEY-CAMBRIDGE PRESS , WELLESLEY MA, USA XP002139689 page 301 -page 303 page 304 page 307 page 309; figure 9.7 page 325 -page 331 page 391 -page 392
CARIOLARO G ET AL: "AN OFDM SYSTEM WITH A HALF COMPLEXITY" PROCEEDINGS OF THE GLOBAL TELECOMMUNICATIONS CONFERENCE (GLOBECOM),US,NEW YORK, IEEE, 1994, pages 237-242, XP000488550 ISBN: 0-7803-1821-8
AKANSU A N ET AL: "ORTHOGONAL TRANSMULTIPLEXERS IN COMMUNICATION: A REVIEW" IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING,US,IEEE, INC. NEW YORK, vol. 46, no. 4, 1 janvier 1998 (1998-01-01), pages 979-995, XP000770957 ISSN: 1053-587X
BOLCSKEI H ET AL: "Design of pulse shaping OFDM/OQAM systems for high data-rate transmission over wireless channels" 1999 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMMUNICATIONS (CAT. NO. 99CH36311), 6 - 10 juin 1999, pages 559-564 vol.1, XP002139687 Piscataway, NJ, USA, ISBN: 0-7803-5284-X cité dans la demande
GOVARDHANAGIRI S ET AL: "Performance analysis of multicarrier modulation systems using cosine modulated filter banks" 1999 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING. PROCEEDINGS. ICASSP99 (CAT. NO.99CH36258), 15 - 19 mars 1999, pages 1405-1408 vol.3, XP002139688 Piscataway, NJ, USA, IEEE, ISBN: 0-7803-5041-3
LE BIHAN H ET AL: "IDENTIFICATION TECHNIQUES FOR THE DESIGN OF CASCADE FORMS PERFECT-RECONSTRUCTION TWO-CHANNEL FILTER BANKS" PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ACOUSTICS, SPEECH, AND SIGNAL PROCESSING (ICASSP), 1994, pages III-189-III-192, XP000529913 New York, US ISBN: 0-7803-1776-9
Attorney, Agent or Firm:
Vidon, Patrice (Le Nobel 2, allée Antoine Becquerel BP 90333 Rennes Cedex 7, F-35703, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Procédé de transmission d'un signal multiporteuse biorthogonal BFDM/OM, caractérise en ce qu'il met en oeuvre une structure de transmultiplexeur assurant une étape de modulation, à l'aide d'un banc de filtres de synthèse (11), présentant 2M branches parallèles, M > 2, alimentées chacune par des données source, et comprenant chacune un expanseur d'ordre M et des moyens de filtrage ; une étape de démodulation, à l'aide d'un banc de filtres d'analyse (12), présentant 2M branches parallèles, comprenant chacune un décimateur d'ordre M et des moyens de filtrage, et délivrant des données reçues représentatives desdites données source, lesdits moyens de filtrage étant déduits d'une fonction de modulation prototype prédéterminée.
2. Procédé de transmission selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de filtrage dudit banc de filtres de synthèse et/ou dudit banc de filtres d'analyse sont respectivement regroupés sous la forme d'une matrice polyphase.
3. Procédé de transmission selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une desdites matrices polyphases comprend une transformée de Fourier inverse (51,61) à 2M entrées et 2M sorties.
4. Procédé de modulation d'un signal transmis selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une transformée de Fourier inverse (51) alimentée par 2M données source ayant chacune subie un décalage de phase prédéterminée, et alimentant 2M modules de filtrage, suivis chacun d'un expanseur d'ordre M, dont les sorties sont regroupées puis transmises.
5. Procédé de modulation selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il délivre des données s [k] telles que : où D=aMP, avec a entier représentant le retard de ; ß entier compris entre 0 et M1 ; et [. est la fonction"partie entière".
6. Procédé de démodulation d'un signal transmis selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il met en oeuvre une transformée de Fourier inverse (61) alimentée par 2M branches, ellesmêmes alimentées par ledit signal transmis, et comprenant chacune un décimateur d'ordre M suivi d'un module de filtrage, et alimentant 2 M multiplieurs de décalage de phase, délivrant une estimation des données source.
7. 0 Procédé de démodulation selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il délivre des données n.,,, telles : #12(n α) = s[nM ß l] avec : D = 2. s. M + d, où s est un entier, d est compris entre 0 et 2M1.
8. 8 Procédé de modulation selon l'une quelconque des revendications 4 et 5 ou de démodulation selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdits modules de filtrage sont réalisés sous l'une des formes appartenant au groupe comprenant : les filtres à structure ; les filtres à structure en échelle ; et les filtres à structure en treillis.
9. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit signal multiporteuse biorthogonal est un signal OFDM/OM.
10. 10 Dispositif d'émission et/ou de réception d'un signal BFDM/OM, mettant en oeuvre le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 9.
Description:
Procédé de transmission d'un signal multiporteuse modulé avec offset (BFDNVOM) Le domaine de l'invention est celui de la transmission de signaux numériques, basés sur des modulations multiporteuses. Plus précisément, l'invention concerne la transmission, et notamment la modulation et la démodulation, des signaux multiporteuses biorthogonaux (BFDM/OM, en anglais « Biorthogonal Frequency Division Multiplex/Offset Modulation »).

Depuis plusieurs années, les modulations multiporteuses ont suscité un grand intérêt. Celui-ci se justifie, en particulier, dans le cas des communications avec les mobiles, où leur efficacité a déjà été démontrée pour la diffusion des signaux radio avec, tout d'abord, le système « Digital Audio Broadcasting » (DAB, en français : « Diffusion Audionumérique ») [1] (par souci de simplification et de lisibilité, toutes les références citées dans la présente description ont été regroupées en annexe E) mais également en transmission haut débit sur lignes bifilaires téléphoniques avec les systèmes ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) et VDSL (Very high bit rate Digital Subscriber Line) [2].

Dans les schémas de modulations multiporteuses usuels, un ensemble de fréquences porteuses, choisi de manière à satisfaire des conditions d'orthogonalité en temps et en fréquence, est multiplex6. C'est le système dit « Orthogonally Frequency Division Multiplex » (OFDM, en français : « multiplex de fréquences orthogonales »).

II est possible d'associer à chacune des porteuses une modulation sans offset (SM : « Synchronous Modulation ») ou avec offset (OM : « Offset Modulation »). On aboutit alors respectivement aux systèmes OFDM/SM et OFDM/OM. En particulier, l'association à chacune des porteuses d'une modulation d'amplitude en quadrature, sans ou avec « offset », produit, respectivement, les modulations OFDM/QAM (QAM, en anglais : « Quadrature Amplitude Modulation ») et OFDM/OQAM (OQAM : « Offset QAM »). Cette

dernière modulation fonctionne sans intervalle de garde et offre également une possibilité de choix plus étendue en ce qui concerne la fonction prototype [3], [4].

Toutefois, l'orthogonalité de 1'OFDM ne lui assure l'optimalité que dans le cas de canaux de transmission que l'on peut assimiler à un bruit additif blanc et gaussien. Dans tous les autres cas, l'optimalité de 1'OFDM n'est pas garantie.

De ce point de vue, les modulations multiporteuses biorthogonales (BFDM) offrent des possibilités supplémentaires et, en particulier, elles peuvent constituer un meilleur compromis vis-à-vis de canaux de type radio-mobiles qui sont à la fois dispersifs en temps et en fréquence [5].

Par ailleurs une modulation biorthogonale avec offset (BFDM/OM) permet de conserver l'avantage de l'OFDM/OM avec la possibilité d'obtenir des fonctions prototypes bien localisées en temps et en fréquence.

A titre indicatif, on rappelle brièvement, en annexe A, les définitions essentielles concernant les aspects mathématiques liés aux modulations de type BFDM/OM. Ces aspects ont déjà fait l'objet de publications, avec l'appelation BFDM/OFDM, également conservée dans les annexes de la présente description.

Dans un article récemment soumis [6], une technique de discrétisation des systèmes de modulation BFDM/OM a déjà été proposée. Toutefois l'approche décrite en [6], [7] se base essentiellement sur la discrétisation des équations continues qui étendent en discret le formalisme introduit en continu dans la référence [4] pour l'OFDM/OM.

Pour l'OFDM/OM, cela suppose donc l'utilisation d'une transformation mathématique, puis de la transformation inverse (classiquement FFT-'puis FFT).

On tronque ensuite le signal discrétisé.

L'invention a notamment pour objectif de fournir une nouvelle technique de modulation et de démodulation d'un signal BFDM/OM qui soit plus efficace et plus aisée à mettre en oeuvre que les techniques connues.

Ainsi, un objectif de l'invention est de fournir de telles techniques de modulation et de démodulation permettant d'assurer, sur un plan théorique, que

l'IES (Interférence entre Symboles) et l'IEC (Interférence entre Canaux) soient exactement nuls, sur un support fini.

L'invention a également pour objectif de fournir de telles techniques qui permettent de réaliser des dispositifs satisfaisant structurellement l'annulation de l'IES et de l'IEC.

Un autre objectif de l'invention est de fournir de telles techniques, permettant aussi bien la mise en oeuvre de fonctions prototypes symétriques ou non, et identiques ou non à l'émission et à la réception.

Encore un autre objectif de l'invention est de fournir de telles techniques de modulation et de démodulation, qui permettent de réduire et de contrôler les retards de reconstruction, par exemple pour des applications temps réel ou interactive. En d'autres termes, un objectif est de fournir de telles techniques permettant, pour des filtres prototypes de longueur donnée, d'obtenir des délais de reconstruction qui ne sont pas fixes (et qui peuvent donc être plus faibles que ceux de l'OFDM/OM).

L'invention a également pour objectif de fournir de telles techniques, qui soient optimales, par rapport à des distorsions produites par un canal gaussien et/ou par des canaux non gaussiens qui ne se réduisent pas simplement à un bruit additif blanc et gaussien.

Encore un autre objectif de l'invention est de fournir de telles techniques, permettant d'obtenir des performances supérieures aux techniques connues, en terme de localisation de la transformée.

L'invention a également pour objectif de fournir des dispositifs de modulation et/ou de démodulation, et plus généralement de transmission et/ou de réception de signaux, qui soient aisés et peu coûteux à réaliser et à mettre en oeuvre.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un procédé de transmission d'un signal multiporteuse biorthogonal BFDM/OM. mettant en oeuvre une structure de transmultiplexeur assurant :

-une étape de modulation, à l'aide d'un banc de filtres de synthèse, présentant 2M branches parallèles. M 2 2. alimentées chacune par des données source, et comprenant chacune un expanseur d'ordre M et des moyens de filtrage ; -une étape de démodulation, à l'aide d'un banc de filtres d'analyse, présentant 2M branches parallèles, comprenant chacune un décimateur d'ordre M et des moyens de filtrage, et délivrant des données reçues représentatives desdites données source, lesdits moyens de filtrage étant déduits d'une fonction de modulation prototype prédéterminée.

En d'autres termes, l'invention propose une réalisation nouvelle des systèmes de modulation BFDM/OM, basée sur une description nouvelle d'un système de modulation, sous la forme d'un transmultiplexeur, appelé par la suite transmultiplexeur modulé. Comme cela apparaîtra par la suite, cette technique présente de nombreux avantages, tant en termes de modes de réalisation que d'efficacité des traitements, et notamment de l'annulation de l'IES et de l'IEC.

On notera qu'une telle structure de transmultiplexeur modulé, permettant la transmission d'un signal multiporteuse modulé avec offset, se distingue fortement des structures de transmultiplexeurs de l'art antérieur. En effet, les schémas connus de transmultiplexeurs présentent des facteurs de décimation-expansion inférieurs ou égaux au nombre de sous-bandes mises en oeuvre. L'approche de l'invention permet en revanche, par la mise en oeuvre, sur chacune des branches des bancs de filtres, de moyens de filtrage déduits d'une fonction de modulation prototype prédéterminée, d'obtenir un nombre de sous- bandes supérieur (double) au facteur d'expansion et de décimation.

De plus, une telle structure de transmultiplexeur modulé selon l'invention présente l'avantage, par rapport aux transmultiplexeurs de l'art antérieur, de permettre un grand choix de filtres prototypes.

Préférentiellement, lesdits moyens de filtrage dudit banc de filtres de synthèse et/ou dudit banc de filtres d'analyse sont respectivement regroupés sous la forme d'une matrice polyphase.

Cela permet, sur un plan pratique, de simplifier la complexité opératoire du transmultiplexeur.

De façon avantageuse, au moins une desdites matrices polyphases comprend une transformée de Fourier inverse à 2M entrées et 2M sorties. Les inventeurs ont en effet montré que l'utilisation d'une telle transformée, pour laquelle des algorithmes sont disponibles (IFFT), permet de simplifier fortement la réalisation et la mise en oeuvre de l'invention.

L'invention concerne également le procédé de modulation d'un signal transmis selon le procédé de transmission décrit ci-dessus. Un tel procédé de modulation met avantageusement en oeuvre une transformée de Fourier inverse alimentée par 2M données source ayant chacune subie un décalage de phase prédéterminée, et alimentant 2M modules de filtrage, suivis chacun d'un expanseur d'ordre M, dont les sorties sont regroupées puis transmises.

L'algorithme de modulation peut alors délivrer des données s [k] telles que : où D = αM - ß, avec α entier présentant le retard de reconstruction ;

(3 entier compris entre 0 et M-1 ; et L. 2 est la fonction"partie entière".

De la même façon, l'invention concerne le procédé de démodulation d'un signal transmis selon le procédé de transmission décrit précédemment. Ce procédé de démodulation met avantageusement en oeuvre une transformée de Fourier inverse alimentée par 2M branches, elles-mêmes alimentées par ledit signal transmis, et comprenant chacune un décimateur d'ordre M suivi d'un module de filtrage, et alimentant 2M multiplieurs de décalage de phase, délivrant une estimation des données source.

Le procédé de démodulation peut ainsi, avantageusement, délivrer des données âm n-CL telles que : #i2(n - α) = s[nM - ß-l] De façon avantageuse, dans le procédé de modulation et/ou de démodulation lesdits modules de filtrage sont réalisés sous l'une des formes appartenant au groupe comprenant : -les filtres à structure transverse ; -les filtres à structure en échelle ; et -les filtres à structure en treillis.

D'autres structures de filtres peuvent bien sûr être envisagées, et notamment les structures de filtres à réponse impulsionnelle infinie (RII).

Selon un mode de réalisation particulier, correspondant notamment à la structure en treillis, ledit signal multiporteuse biorthogonal est un signal OFDM/OM. Des solutions techniques particulières peuvent alors être envisagées.

L'invention concerne également, bien sûr, les dispositifs d'émission et/ou de réception d'un signal BFDM/OM, mettant en oeuvre les procédés présentés ci-dessus.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés parmi lesquels : -la figure 1 illustre la structure générale d'un transmultiplexeur associé à la modulation BFDM/OM, selon l'invention ; -la figure 2 présente, de façon simplifée, une vue globale de la chaîne mettant en oeuvre un transmultiplexeur tel qu'illustré en figure 1 ; -la figure 3 est une représentation sous une forme polyphase du transmultiplexeur de la figure 1 ; -la figure 4 illustre sur un cas élémentaire, l'insertion d'un opérateur de retard placé entre un expanseur et un décimateur, utilisé dans la mise en oeuvre de la représentation polyphase de la figure 3 ; -les figures 5 et 6 présentent respectivement un modulateur et un démodulateur BFDM/OM réalisés à l'aide d'une FFT inverse ; -les figures 7 et 8 présentent des filtres à structure en échelle pouvant être utilisés à la place des filtres polyphases des figures 5 et 6, respectivement lorsque s, paramètre entier défini par la suite, est pair ou impair ;

-la figure 9 illustre une structure sous la forme de treillis pour les filtres polyphases des figures 5 et 6, dans le cas d'un signal OFDM/OM à filtres prototypes symétriques ; -la figure 10 présente un treillis selon la figure 9, dans le cas normalisé : -les figures 11A et 11B d'une part et 12A et 12B d'autre part illustrent les réponses temporelle et fréquentielle obtenues dans deux modes de réalisations particuliers, correspondant aux tableaux de l'annexe D.

Comme indiqué précédemment, la technique de l'invention repose notamment sur une approche particulière de discrétisation, visant à obtenir directement une description du système de type transmultiplexeur modulé. Outre l'avantage d'un cadre de description plus général, cette approche offre de nombreuses possibilités d'exploitation des liens entre les bancs de filtres et les transmultiplexeurs, pour l'optimisation des structures de réalisation et du calcul des coefficients associés.

Après avoir présenté la structure générale de représentation des systèmes BFDM/OM sous la forme d'un modèle discret de type transmultiplexeur, on présente ci-après quatre modes de réalisation particuliers de l'invention correspondant respectivement à : -deux modes de réalisation BFDM/OM qui, au modulateur et au démodulateur, utilisent tous deux un algorithme rapide de transformée de Fourier inverse (IFFT) et se distinguent par le type d'implantation des composantes polyphases du filtre : -Mode 1 : Algorithme IFFT + filtrage polyphase ; -Mode 2 : Algorithme IFFT + filtrage en échelle.

-deux modes de réalisation adaptés à l'OFDM/OM, déduits du BFDM/OM : -Mode 3 : variante du Mode 1 vérifiant l'orthogonalité discrète de l'OFDM/OM avec filtrage polyphase transverse et

possibilité de mise en oeuvre de filtre prototype symétrique ou non ; -Mode 4 : variante du mode 2 vérifiant l'orthogonalité discrète de l'OFDM/OM avec filtrage polyphase réalisé par une structure en treillis.

Des méthodes de design de filtres prototypes illustrant ces procédés de réalisation des modulations BFDM/OM et OFDM/OM sont également présentées.

Les résultats présentés illustrent : -les possibilités supplémentaires du BFDM/OM pour lequel le délai de transmission reste modulable pour une longueur de filtre prototype donnée. Ceci permet, par exemple à retard de transmission identique, d'améliorer les performances en terme de localisation temps-fréquence de la transformation associée au modulateur. Cela permet également de maintenir des performances élevées du point de vue de la sélectivité tout en réduisant le délai de transmission ; dans le cas de systèmes dits dos-à-dos, la possibilité avec les modes 2 et 4 d'annuler totalement l'interférence entre symboles (IES) et l'interférence entre canaux (IEC) et d'obtenir ainsi ce que l'on peut également appeler la reconstruction parfaite.

D'autres exemples non reportés ici, montrent également qu'il est possible d'obtenir, en biorthogonal, des performances en localisation comparables à celles de l'OFDM/OM, et ceci avec des filtres prototypes beaucoup plus courts.

Pour faciliter la lecture, on retient les notations suivantes : les ensembles, par exemple R le corps réel, ainsi que les vecteurs et matrices, par exemple E (z) et R (z) les matrices polyphases, sont notés en caractère gras. Sinon l'ensemble des symboles mathématiques utilisés est noté en caractère standard avec, en général les fonctions du temps en minuscules et les fonctions des domaines transformés (z et Fourier) en majuscules.

1-Formulation sous forme d'un transmultiplexeur modulé A partir d'un filtre prototype causal p [k], déduit de h (t) par translation et discrétisation, nous obtenons un schéma de réalisation qui est celui de la figure 1.

Dans ce schéma les filtres Fi (z) 11 et Hj (z) 12, avec 0 2M-1, se déduisent de p [k] (ou P (z)) par modulation complexe. os et/3, 0 /3 M-1, sont deux entiers qui se relient à un paramètre D de la modulation D = ixM-ß. Les calculs permettant d'aboutir à ce schéma sont reportés en annexe B.

On peut noter également que les filtres prototypes peuvent être différents.

Par la suite on se contentera d'étudier le cas particulier où q [k] = p [D-k], sans que cela ne limite la portée de la demande de brevet.

La réalisation d'un schéma de modulation et de démodulation directement selon cette figure 1 serait extrêmement coûteuse, en termes de complexité opératoire. Selon l'approche de l'invention, on décompose donc les filtres prototypes P (z), en fonction de ses composantes polyphases G, (z), ainsi que cela est présenté en annexe C.

Cette annexe C précise également la relation d'entrée-sortie, les conditions à respecter sur les composantes polyphases et le retard de construction.

2-Exemples de réalisation L'ensemble des modes de réalisation décrits par la suite est basé sur la mise en oeuvre d'une transformée de Fourier discrète (TFD).

Cette technique présente bien entendu l'avantage que la TFD se traduit par des algorithmes de calcul rapides, intitulés selon leur sigle anglo-saxon FFT, ou IFFT pour la transformée inverse. (On notera que les équations référencées (1) à (54) se trouvent dans les annexes A à C).

On note :

Et W la matrice de la transformée de Fourier discrète de taille 2M x 2M : <BR> <BR> -jkl<BR> [W]k,l = e , 0#l,k#2M-1 (57) En utilisant les équations (35) à (38) (annexe C) on obtient : On en déduit les schémas du modulateur de la figure 5 et du démodulateur de la figure 6, tous deux réalisés à 1'aide d'une transformée de Fourier inverse IFFT 51,61. Sur ces figures 5 et 6, s est un entier défini par D = 2. s. M + d, d étant un entier compris entre 0 et 2M-1, Les notations et données apparaissant sur les figures 5 et 6, de même que sur les autres figures, font bien sûr partie intégrante de la présente description.

Pour simplifier, mais sans perte de généralité, on suppose par la suite que le filtre prototype P (z) est de longueur 2mM de sorte que toutes les composantes polyphases sont de même longueur m.

2.

En reprenant les notations des figures 5 et 6, on déduit les algorithmes de modulation et de démodulation suivants, déjà mentionnés plus haut :

2. 1. 1 Algorithme de modulation 2.2 Algorithme de démodulation <BR> <BR> #12(n - α) = 2[nM - ß -l] (65) 2.

Les schémas en échelle constituent un moyen d'implantation proposé récemment pour la réalisation des bancs de filtres. Les inventeurs ont validé mathématiquement leur application à la BFDM/OM, décrite ci-après.

On a vu qu'on peut écrire une modulation BFDM/OM sous la forme d'un transmultiplexeur utilisant deux FFT inverses (figures 5 et 6), dans lequel apparaissent explicitement les composantes polyphases du prototype utilisé.

Chaque filtre polyphase peut alors s'écrire sous la forme d'une échelle. Selon que s est pair ou impair, on peut remplacer les filtres G, (z) des figures 5 et 6 par les schémas donnés par les figures 7 et 8.

Pour aboutir à de tels schémas, une décomposition matricielle des composantes polyphases est mise en oeuvre, qui s'appuie sur des matrices 2x2 dont le nombre et la nature se déterminent en fonction de la longueur du prototype et du délai de reconstruction souhaités.

Par exemple, pour générer la paire de composantes polyphases [G, (z), GM+, (z)] nous procédons en deux étapes : l'initialisation est réalisée par un couple (Fo, F,). Fo correspond à un produit de trois matrices auquel vont correspondre les trois premiers éléments des schémas du haut aux figures 7 et 8. La forme exacte de F, dépend de la parité du paramètre s. C'est la matrice identité pour s pair (cf. schéma du haut à la figure 7) ou c'est un produit de deux matrices Co et Bo pour s impair, auquel vont correspondre les deux éléments suivants dans le schéma du haut à la figure 8. On obtient ainsi un prototype de longueur 2M (s = 0) ou 4M (s = 1).

-Pour augmenter la longueur de P (z), sans ou avec accroissement de délai, on applique ensuite un jeu de matrices qui sera respectivement soit (A, B), soit (C, D). On obtient ainsi la suite du schéma de réalisation.

Le même principe s'applique aux composantes polyphases [Gd-, (z), Gd-2f4 (z)], en prenant cette fois les inverses des matrices précédentes.

Un intérêt de cette structure est qu'elle garantit une reconstruction parfaite, même en présence d'erreur sur les coefficients calculés, en particulier des erreurs de quantification.

Par ailleurs, cette structure facilite aussi l'optimisation du filtre prototype, par exemple en prenant un critère de localisation ou de sélectivité en fréquence : il suffit d'optimiser coefficients au lieu de 2mM, sans introduire de contrainte de reconstruction parfaite.

3-Complexité des différentes réalisations Pour effectuer une comparaison des différents modes de réalisation proposés, on se place dans le cas commun où N = 2mM. Dans ce cas, chaque composante polyphase a une longueur égale à m.

Chaque composante polyphase peut être réalisée sous forme transverse, sous la forme d'une échelle ou, dans le cas orthogonal, sous celle d'un treillis.

Même si les échelles et les treillis possèdent deux sorties, une seule est exploitable.

Sur chaque sous-bande, on effectue au niveau du : -une pré-modulation (un décalage de phase, c'est-à-dire une multiplication complexe) ; -une transformée de Fourier ; -un filtrage polyphase.

Au démodulateur, on effectue les mêmes opérations dans le sens inverse.

On peut donc en déduire la complexité du transmultiplexeur complet avec pré-modulation, en terme d'opérations complexes (tableau 1) ou réelles (tableau 2). Additions complexes Multiplications complexes Réalisation transverse 2m-2 + 2 log2 2M 2m + 2 + 1og2 2M Réalisation en échelles 4m + 2 + 210g2 2M 4m + 2 + 1og2 2M Réalisation en treillis 4m-4 + 2 logz 2M 4m + 2 + log2 2M (normalisé) TABLEAU 1-Nombre d'opérations complexes par sous-bande et par échantillon pour le transmultiplexeur complet. Additions réelles Multiplications réelles Réalisation transverse 2m + 3l0g2 2M 2m + 4 + 210g2 2M Réalisation en échelles 4m + 4 + 3 og 2M 4m + 6 +2 log2 2M Réalisation en treillis 4m + 3 10g2 + 2M 4m + 4 + 2 log2 2M (normalisé)

TABLEAU 2-Nombre d'opérations réelles par sous-bande et par échantillon pour le modulateur (ou le démodulateur).

Le gain apporté par rapport à une réalisation directe du schéma de la figure 1 est donc net, puisque celle-ci nécessiterait 2mM-1 additions complexes et 2mM + 1 multiplications complexes par sous-bande et par échantillon, au modulateur comme au démodulateur.

En termes de cases mémoire, il faut stocker 4M valeurs complexes pour réaliser la pré-modulation ainsi que les coefficients des différentes structures.

Lorsqu'on a les mêmes filtres à l'émission et à la réception, on obtient la première colonne du tableau 3. Par ailleurs, il faut dans tous les cas stocker 4 (m + 1) M valeurs complexes dans un"buffer"pour le filtrage polyphase au modulateur comme au démodulateur. ROM RAM Réalisation transverse 2 (m + 1) M+ 2 4 (m + 3) M Réalisation en échelles (2m +1) -+ 2M + 2 4 (m + 3) M L 2 j Filtre transverse (m + 2) M+ 2 4 (m + 3) M symétrique Réalisation en treillis m 2 + 2M + 2 4 (m + 3) M (normalisé)

TABLEAU 3-Cases mémoire réelles pour le modulateur (ou le démodulateur) complet.

Les différentes techniques proposées se caractérisent notamment par le fait que, pour un système modulateur-démodulateur mis"dos-à-dos", leurs IES et IEC sont exactement nulles. En pratique, du fait de l'imprécision du calcul numérique, elles sont généralement de l'ordre de 10-".

Dans le cas des modes 2 et 4, cette caractéristique de reconstruction parfaite est assurée structurellement, c'est-à-dire qu'elle est maintenue après quantification des coefficients échelles pour le BFDM/OM ou treillis pour l'OFDM/OM.

Deux critères peuvent être pris en compte pour le design des filtres prototypes : la localisation et la sélectivité. On peut également tenir compte d'autres aspects, tels que les distorsions de canal représentatives de différents canaux de transmission, par exemple du type radio-mobile.

A titre d'exemples purement indicatifs, les tableaux 4 et 5 de l'annexe D donnent des réalisations particulières de l'invention, dont les résultats sont illustrés par les figures 11A, 11B, 12A et 12B.

Les figures 11A et 11B présentent respectivement la réponse temporelle et la réponse fréquentielle pour un prototype biorthogonal avec M = 4, N = 32, a= 8, = 0,9799 (localisation), Cmod= 0, 9851 (localisation modifiée, selon le critère de Doroslovacki). Elles correspondent à la première colonne du tableau 4 (coefficients transverses) et au tableau 5 (coefficients des échelles).

Les figures 12A et 11B présentent respectivement la réponse temporelle et la réponse fréquentielle pour un prototype biorthogonal avec M = 4, N = 32, α = 2, # = 0,9634 (localisation), Cmod = 0,9776 (localisation modifiée, selon la mesure de Doroslovacki). Elles correspondent à la seconde colonne du tableau 4.

Annexe A Modulation multiporteuse de type BFDM/OQAM Dans cette annexe, en guise d'introduction aux modulations BFDM/OQAM, nous rappelons quelques définitions essentielles sur la biorthogonalité ( [16], [17],[18]).

Soit E un espace vectoriel sur un corps K, les définitions et propriétés que nous allons utiliser pour générer une modulation BFDM/OQAM peuvent se résumer ainsi : Définition A. 1 Soient (xi)i#I et (#i)i#I deux familles de vecteurs de E. (xi)i#I, <BR> <BR> (Zi) isI sont biorthogonales<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> si et seulement si: #(i,j) # I2, (xi, #j) = #i,j Définition A. 2 Soient (xi)i#I et (#i)i#I deux familles de vecteurs de E. (xi)i#I, (t') forment un couple de bases biorthogonales de E si et seulement si : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> # (xi)i#I et (#i)i#I forment deux bases de E<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> # (xi)i#I et (#i)i#I sont deux familes biorthogonales Propriété A. 1 Soit ((xi)i#I, (#i)i#I0 un couple de bases biorthogonales de E, alors V. r 6 E : Un signal complexe modulé en fréquence sur 2M sous-porteuses peut s'écrire avec : -am, n E R; -h un filtre prototype réel, de largeur de bande vo et de support fini : h (t) X [-T1, T2] avec T1 et T2 des réels ;

-fo=0 ; 7CoTo = 2 Pour obtenir une modulation biorthogonale on cherche à écrire s (t) à l'aide d'un couple de bases biorthogonales : La dérivation des expressions des bases discrètes associées est présentée en <BR> <BR> <BR> annexe 2.<BR> <P>#0 1<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Après translation de T1 et discrétisation à la période Te = =, il est<BR> M 2Mv0<BR> également possible, cf. annexe 2, de définir un couple de bases biorthogonales discrètes (Xm,n[k], Xm,n[k]) tel que

Annexe B Le transmultiplexeur BFDM/OQAM B. 1 Cas général biorthogonal On pose A'la.longueurdu filtre prototype p [k], de telle sorte que : 2T = T1 + T2 = (N - 1)T3 (8) et Fi = 2#T, T2 = 2 (1-A) T avec A G [0, 1]. Alors : avec D un paramètre fixé arbitrairement et qui, comme on le verra. permet de gérer le retard de reconstruction. Au vu de l'équation (10), on pose maintenant : de sorte que : Par ailleurs, la base duale de démodulation s'écrit :

ce qui nous amène à poser : et D = aM-13 avec a et 3 entiers et 0 < ß < M - 1 (20) de sorte que : Le facteur (-1)mn apparaît aussi bien au modulateur qu'au modulateur si bien qu'on peut le supprimer sans rien changer, et on aboutit alors au schéma du transmultiplexeur de la figure 1.

B. 2 Cas particulier orthogonal Dans le cas orthogonal, on a D = IV-1 et q [k] = p [k], d'où : Dans le cas où q[k] = p[D - k] on a alors p[k] = p[N - 1 -k]: le prototype est symétrique. Mais contrairement à ce qu'on peut souvent lire de manière impli- cite ou explicite ([4], [6], [7], [9]), la symétrie du protoype n'est absolument pas nécessaire. On pourra pour s'en convaincre prendre l'un des prototype sui-<BR> #<BR> <BR> <BR> <BR> vants et vérifier numériquement (une vérification directe est assez fastidieuse) qu'il permet la reconstruction parfaite pour M = 4 dans le cas orthogonal (on a alors N - 1 = D = 7, α = 2 et ß = 1):

P(.)=(1+-+.-4,-5,-6 P(z) = 1/4(1 + z-1 - z-2 + z-3 + z-4 + z-5 - z-6 + z-7) (25) On peut même vérifier que tout prototype vérifiant (26) à (31) assure aussi la reconstruction parfaite pour M = 4 dans le cas orthogonal : co=l,c,.=l(26)<BR> <BR> , #1 = #1

Annexe C La condition de biorthogonalité C. 1 Approche polyphase La réalisation d'un schéma de modulation et démodulation selon la figure 1 serait extrêmement coûteux en termes de complexité opératoire. La décom- position du prototype P (z) en fonction de ses composantes polyphases G (z), telle que permet d'exprimer ensuite les bancs d'analyse et de synthèse sous la forme On en déduit ainsi l'expression des matrices polyphases R (z) et E (z) des bancs de filtres du modulateur et démodulateur : où J, W1 et W2 sont définis ci-dessous :

De manière à isoler la fonction transmultiplexeur nous introduisons la nota- tion qui suit, où par commodité d'écriture, on ne prendra plus xm (n) = ?"cn) mais x, (n) = am,n, de manière à : zm (n) représente les symboles réels à émettre et #m1 (n) les symboles complexes reçus avant extraction de la partie réelle. La figure 2 donne une vue globale de la chaîne.

Les matrices polyphases E (z2) et R (z2) permettent d'obtenir une repré- sentation sous forme polyphase du transmultiplexeur (figure 3). Il reste à prendre la partie réelle des échantillons de sortie ruz (n-a) pour reconstituer l'entrée avec un retard de a échantillons.

C. 2 Relation d'entrée-sortie Nous notons X (z) le vecteur représentant, dans le domaine transformé en z, les données émises. A la réception, après démodulation, nous notons par X (-jz) le vecteur des transformées en z associé aux données reçues.

L'extraction de la partie réelle fournit ensuit le vecteur X (z). Notre but est alors : -de déterminer la relation entrée-sortie, c'est-à-dire la relation entre X (z) et X (z) ; -de déterminer les conditions sur les composantes polyphases Gl (z) de P (z) permettant de garantir l'égalité X (z) = X (z) ; -d'en déduire le retard de construction a.

Les 3 principaux éléments de ce schéma permettant de déterminer la re- lation entrée-sortie sont les 2 matrices polyphases E (z) et R (z) ainsi que la matrice de transfert #ß (z), liée aux expanseurs, délais et décimateurs. Pour déterminer cette dernière on peut se baser sur le cas élémentaire représenté à la figure 4 pour lequel la fonction de transfert est donnée par 0 si K n'est par multiple de m, (z) = # (40 z-K/M U (z) si K est multiple de M De la figure 3 il vient ensuite : z-α # #' (-jz) = E(z2)#ß(z)R(z2)X(-jz) (jz)-α #'(z) = #(-z2)#ß(jz)R(-z2))X(z) -3 où la matrice G () est définie ci-dessous :

On a alors : X()=Q()X)(43) avec : Q(z) = R {(jz)αW1G(jz)W2T} (44) Après calcul, on obtient : La signification de d est précisée plus loin. L'expression exacte de Ui (-z2) dépend d'ailleurs de ce paramètre d (entier positif ou nul), on peut alors dé- montrer qu'on a reconstruction parfaite si et seulement si: <BR> <BR> <BR> <BR> - si 0 # d # M - 1:<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> - si 0 # l # d: - si d + 1 # l # M - 1:

- si M # d # 2M - 1:<BR> <BR> - si 0 # l # d - M: - si d + 1 - M # l # M - 1: avec d et s les entiers définis par D = 2sM + d,s # 0 et 0 # d # 2M - 1. Le retard de reconstruction a est lié au paramètre s par les relations : De ce résultat on peut déduire le cas particulier orthogonal pour lequel D = N - 1, avec N la longueur du filtre prototype paraunitaire, c'est-à-dire sy-<BR> <BR> métrique ici (on dit que P(z) est paraunitaire si P(z) = z-(N-1)#(z) avec #(z) = P*(z-1)). On peut en effet vérifier que: Ainsi, dans le cas particulier orthogonal, on a reconstruction parfaite, avec un<BR> N-1+ß<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> retard α = , si et seulement si:<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> M<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> Gl(z) #l(z) + Gl+M(z) #M+l(z) = 1/2M 0#l#M - 1 (54) Annexe D E Coefficients des filtres prototypes obtenus par optimisation

n exemple figures 11A, 11B exemple figures 12A, 12B 0-4. 460868105953324e-05 5. 014949968230972e-02 1-8. 827693704913472e-051. 455583816489019e-01 2 1. 816721975145588e-04 2. 500737066757044e-01 32. 302861759368111e-043. 228805982747062e-01 4-1. 5-1. 6 -3.760044826875730e-03 2.548572622632939e-01 7-6. 8-6.168757567424829e-02 9-2.125177964848224e-02 10 1.063973252261601e-02 -4.802381010162210e-03 11 4. 151536856291601e-02-1. 106221296463278e-02 12 1.043838059706333e-01 -8.872655589434630e-03 13 2. 005189128209921e-01-3. 753426678003194e-03 14 2. 913131449163113e-01-1. 654867643757010e-03 15 3. 352627462532674e-01-1. 383187971152199e-03 163. 351172696026857e-01-3. 813932123570836e-04 17 2. 909415993397522e-01 5. 624569918905843e-06 18 2. 000454638421703e-01-2. 475635347949224e-06 19 1. 039959799288574e-01 4. 952234305253537e-05 20 4. 124129545474275e-02 2. 048787314180216e-05 211. 040407270162191e-021. 004915628115845e-07 22-2.423431446835775e-08 23-6.649149072234273e-06 24 -5.878063999471562e-03 1.785190585201287e-08 25-2.863128678632993e-12 26-2.475652683945518e-03-3. 27-8.249232623623326e-04-2.308376067571482e-09 28-8. 891453128240245e-05 6. 598349790230041e-12 29-4.464223698699074e-04-5. 30 3. 70450426982971 le-04-2. 548414264695020e-16 31 1. 247820119405080e-05 8. 532126971482393e-13 TAB. 4-Prototypes biorthogonaux avec M = 4 et N = 32 (coefficients transverses).

1=0 1=1 go o 2. 820843813510179e-01 1.299280891559943e-01 f0,1 -5.673498928902276e-01 -3.310904763283146e-01 fo, 2 3. 721645241266496e-01-3. 738170157940610e-02 c00 -1.167480680205269e-01 -2.847704852297620e-02 bo 1. a01 -1.596131503239696e-01 9.127789670781582e-02 b01 -2.626782049187459e+01 -2.054722686392923e+01 c01 -1.614447045462511e-04 -3.551599154933042e-04 d01 2.628294699122717e+01 2.069686434312222e+01 TAB. 5-Prototype biorthogonal (coefficients des échelles) avec M = 4, N = 32 et a = 8 (cf. fig. 11A, 11B).

Annexe E Références [1] D. Pommier and Yi. Wu. Interleaving of spectrum-spreading in digital radio intended for vehicles. EBU Rev.-Tech., (-917) : 193-149, June 1986.

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