ET LE PRÉCHARGEMENT DE MÉMOIRES POUR L'INITIALISATION

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION

L'invention concerne un système pour la transmission de données numériques sur un canal de communication en utilisant une modulation multiporteuse à base de bancs de filtres et, plus particulièrement, une méthode d'initialisation améliorée pour l'application à un tel système.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Les systèmes de transmission ont recours aux modulations multiporteuses pour atteindre une haute efficacité et fournir de la flexibilité opérationnelle. Deux approches ont été considérées jusqu'à maintenant pour mettre en oeuvre le principe de modulation multiporteuse. Le plus largement utilisé est appelé OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et il s'appuie sur la FFT (Fast Fourier Transform) pour répartir les sous-porteuses sur la largeur de bande du canal de transmission. Dans cette technique, décrite plus en détail dans l'ouvrage de M. Bellanger intitulé « Digital processing of signais », troisième édition, publié en 2000 par Wiley, aux pages 414 à 418, l'ensemble des données appliqué à l'entrée du bloc iFFT (adapté à fournir à sa sortie la transformée de

Fourier inverse dudit signal appliqué à son entrée) et appelé "symbole", produit à la sortie de ce bloc iFFT un bloc d'échantillons du signal à transmettre.

Les blocs d'échantillons associés à des symboles successifs doivent être transmis avec un intervalle de garde pour éviter les interférences entre les blocs en présence du canal. Un préfixe cyclique est introduit à cet effet dans la séquence transmise. Une autre approche est appelée modulation FBMC (Filter Bank based

MultiCarrier) ou OFDM/OQAM (Offset Quadrature Amplitude Modulation), parce que, pour maximiser le débit, elle combine l'utilisation de bancs de filtres pour diviser le canal de transmission en sous-canaux avec une modulation dans laquelle la partie réelle et la partie imaginaire d'un symbole complexe sont transmises avec un décalage temporel égal à la moitié de la durée d'un symbole. Une description détaillée de cette approche est donnée dans l'article de B. Hirosaki, "An Orthogonally Multiplexed QAM System Using the Discrète Fourier Transform", IEEE Trans. on Communications, Vol.COM-29, JuIy 1981.

Bien que la technique FBMC n'ait pas été déployée à grande échelle jusqu'à présent, elle est attrayante pour les futurs systèmes radio et sans fils à cause de deux avantages clés. D'abord, comme elle ne nécessite pas de temps de garde, elle offre un débit maximal accru et, ensuite, avec l'opération de filtrage, elle fournit une haute résolution spectrale et donne la possibilité d'avoir des sous- canaux indépendants, deux caractéristiques cruciales pour les nouveaux concepts d'accès au spectre dynamique et de radio cognitive.

Cependant, un obstacle pour l'application de la modulation FBMC aux systèmes radio vient de la réponse impulsionnelle des filtres qui introduit une phase de transition et prolonge la durée du processus d'initialisation. L'effet est particulièrement important dans les systèmes de transmission par paquets qui utilisent un préambule au début du paquet pour aligner le récepteur et l'émetteur et mesurer les caractéristiques du canal afin d'optimiser les performances du récepteur. Le problème de l'initialisation et les techniques employées par les systèmes OFDM ont été décrits dans la littérature et une synthèse est présentée dans l'article de M .Morelli et al.,"Synchronization Techniques for Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA): a Tutorial Review", Proceedings of the IEEE, Vol.95, N°7, juillet 2007. Quant à la modulation FBMC, les mêmes techniques peuvent être utilisées comme indiqué dans l'article de T. Fusco et al.."Data Aided Time Domain Synchronization for Filter Bank Multicarrier Systems", Proc. of EUSIPCO'08, Lausanne, août 2008. Mais cette approche présente deux inconvénients majeurs. D'abord, il faut un dispositif particulier qui fonctionne indépendamment du banc de filtres et s'ajoute dans le récepteur ce qui augmente la complexité du dispositif. Ensuite, une fois les paramètres mesurés, le banc de filtre est mis en route et la phase transitoire due à la réponse impulsionnelle du filtre n'est pas utilisée, ce qui est sous-optimal. De plus, certains résultats de mesure doivent être interprétés pour satisfaire les spécifications du banc de filtres. A l'évidence, le problème de l'initialisation n'a pas été convenablement résolu pour les systèmes employant la modulation FBMC.

OBJET DE L'INVENTION

C'est un objet de la présente invention de réaliser un système de transmission par paquets à haute robustesse et efficace, utilisant le principe de la modulation multiporteuse à base de bancs de filtres. Cet objet ainsi que d'autres sont réalisés par la présente invention, qui concerne un système de transmission multiporteuse d'un signal, à base de bancs de filtres, comprenant au moins un émetteur qui comporte un bloc iFFT adapté à fournir à sa sortie la transformée de Fourier inverse dudit signal appliqué à son entrée, un ensemble de premières mémoires, et un premier dispositif de sommation pondérée, ledit système de transmission comportant des commutateurs ayant chacun une entrée connectée à la sortie du bloc iFFT, une entrée connectée à l'une desdites premières mémoires et une sortie connectée à une autre desdites premières mémoires.

Le banc de filtres de synthèse dans l'émetteur (SFB) est ainsi équipé d'un ensemble de commutateurs pour le préchargement des mémoires. A l'aide de ces commutateurs, la sortie du bloc iFFT correspondant au premier symbole à transmettre est chargée dans les mémoires du banc de filtres.

De cette manière, il n'y a pas de phase de transition due à la réponse impulsionnelle du filtre et le premier symbole est transmis sans retard. De plus, l'opération revient à appliquer un signal constant à l'entrée des sous-canaux et il en résulte la génération d'un ensemble de sinusoïdes dont les fréquences sont les fréquences centrales des sous-canaux utilisés.

Selon une première caractéristique avantageuse et non limitative de l'invention, le système de transmission comprend au moins un récepteur, qui comporte un bloc FFT adapté à fournir à sa sortie une transformée de Fourier dudit signal appliqué à son entrée, un ensemble de deuxièmes mémoires, un deuxième dispositif de sommation pondérée, et d'autres commutateurs ayant chacun une entrée connectée à l'entrée dudit récepteur, une entrée connectée à l'une desdites deuxièmes mémoires et une sortie connectée à une autre desdites deuxièmes mémoires.

Le banc de filtres d'analyse (AFB) dans le récepteur est ainsi équipé d'un ensemble de commutateurs pour le préchargement des mémoires. A l'aide de ces commutateurs, le premier ensemble d'échantillons reçus correspondant au premier symbole transmis est chargé dans les mémoires du banc de filtres. De cette manière, le premier symbole transmis est répété à la sortie du banc de filtres un nombre de fois égal au nombre de mémoires dans le banc de filtres. Si le premier symbole transmis est un symbole de préambule connu du récepteur, les caractéristiques du canal sont mesurées en traitant les ensembles d'échantillons reçus contenant le symbole de préambule.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du système de transmission selon l'invention, - il comporte des moyens de modulation dudit signal suivant la méthode

OQAM, et dans lequel l'émetteur et le récepteur comportent chacun deux réseaux polyphasés équipés de moyens de préchargement des premières mémoires et des deuxièmes mémoires correspondantes.

- il comporte une pluralité desdits émetteurs et un récepteur unique. La technique du préchargement des mémoires peut en effet être étendue aux systèmes de transmission ayant plusieurs émetteurs et un seul récepteur. La mesure simultanée des canaux reliant les émetteurs et le récepteur est effectuée, pourvu que le symbole de préambule soit convenablement construit.

L'invention concerne également une méthode de transmission d'un signal au moyen du système de transmission selon laquelle la transformée de

Fourier inverse d'un premier symbole dudit signal à transmettre par l'émetteur obtenue en sortie du bloc iFFT est chargée dans lesdites premières mémoires au début de la transmission.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de la méthode selon l'invention,

- le premier ensemble d'échantillons de signal reçu par le récepteur correspondant à un symbole transmis par l'émetteur est chargé dans lesdites deuxièmes mémoires ;

- le premier symbole transmis par l'émetteur est un symbole de préambule connu du récepteur.

Avantageusement alors, les premiers ensembles d'échantillons délivrés par le récepteur et correspondant aux symboles de préambule sont traités pour fournir des estimations des caractéristiques d'un canal reliant ledit émetteur audit récepteur.

Dans le cas d'un système comportant une pluralité desdits émetteurs et un récepteur unique, le premier symbole transmis par ladite pluralité d'émetteurs est alors un symbole de préambule connu du récepteur et défini pour permettre l'estimation des caractéristiques des canaux reliant lesdits émetteurs audit récepteur.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION

La description suivante, faite en regard des dessins ci-annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

Sur les dessins annexés :

- la figure 1 est un schéma bloc simplifié d'un système de transmission conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma bloc de l'émetteur du système de transmission de la figure 1 comportant un banc de filtres de synthèse équipé des moyens de préchargement des mémoires ;

- la figure 3 montre les premiers ensembles d'échantillons transmis par l'émetteur de la figure 2 ; - la figure 4 est un schéma bloc du récepteur du système de transmission de la figure 1 comportant un banc de filtres d'analyse équipé des moyens de préchargement des mémoires ; - la figure 5 comprend un schéma bloc d'une variante de l'émetteur du système de transmission selon l'invention, correspondant à la modulation OQAM et montrant l'entrelacement temporel des signaux transmis; et,

- la figure 6 montre les signaux à la sortie du banc de filtres d'analyse du récepteur, après conversion parallèle/série.

Dans le schéma bloc du système de transmission multiporteuse à base de banc de filtres de la figure 1 , le flux de données entrant 1 est appliqué à un convertisseur série/parallèle 10 appelé convertisseur S/P 10 couplé à un émetteur 100 comportant un banc de filtres de synthèse, dont la fonction est de former le signal multiporteuse émis y(n) à partir des symboles 3 de données d'entrée fournis par le convertisseur S/P 10. Ce signal multiporteuse émis y(n) est ainsi formé d'une succession temporelle de ces symboles 3. La sortie du filtre de synthèse est connectée au canal de transmission qui délivre le signal reçu r(n) au récepteur 200 comportant un banc de filtres d'analyse. Un convertisseur parallèle/série 30 appelé convertisseur P/S 30 fournit le flux de données de sortie 2.

La présente invention concerne le système de transmission comportant l'émetteur 100 multiporteuse et le récepteur 200 qui sont représentés avec davantage de détails sur les figures 2 et 4 respectivement. En se reportant à la figure 2, les symboles 3 de données d'entrée sont d'abord traités dans l'émetteur 100 par un bloc iFFT 101 adapté à fournir à sa sortie la transformée de Fourier inverse (iFFT) du signal appliqué à ses entrées.

D'après la théorie des bancs de filtres, le banc de filtres de synthèse de l'émetteur 100 se compose du bloc iFFT 101 connecté à un réseau polyphasé. Une description détaillée d'un tel banc de filtres comprenant un réseau polyphasé est donnée aux pages 304 à 306 de l'ouvrage de M. Bellanger cité en introduction. Une description des opérations réalisées par un tel banc de filtres est donnée au chapitre 11 de cet ouvrage de M. Bellanger, notamment aux pages 309 à 316.

Le réseau polyphasé possède K mémoires, K étant le rapport de la longueur L d'un filtre prototype du banc de filtres de synthèse à la dimension M de la FFT.

Pour chaque banc de filtres, banc de filtres de synthèse à l'émission et banc de filtres d'analyse à la réception, le filtre prototype est le filtre passe-bas dont se déduisent les filtres du banc par translation en fréquence. La dimension de la FFT correspond au nombre d'entrées du bloc iFFT 101 ou au nombre de sorties du bloc FFT 201 correspondant (voir figure 4).

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, K=L/M=4 et le réseau polyphasé de l'émetteur 100 comporte quatre mémoires 102, 103, 104, 105 qui alimentent un dispositif de sommation 106 qui effectue une sommation pondérée des échantillons de signaux mis en mémoire dans les quatre mémoires et produit ainsi le signal multiporteuse de sortie y(n). Les coefficients de pondération utilisés dans la sommation réalisée par le dispositif de sommation 106 sont les éléments de la réponse impulsionnelle du filtre prototype dont le banc de filtres de synthèse est dérivé.

Ensemble, les mémoires et le dispositif de sommation pondérée réalisent le réseau polyphasé (PPN - PolyPhase Network) de la théorie des bancs de filtres.

De manière remarquable, ledit émetteur 100 comporte des commutateurs 113, 114 ,115 ayant chacun une entrée connectée à la sortie du bloc iFFT 101 , une entrée connectée à l'une desdites mémoires 102, 103, 104, du réseau polyphasé de l'émetteur et une sortie connectée à une autre de ces mémoires 103, 104, 105.

Plus précisément, l'émetteur 100 comporte un nombre K-1 de commutateurs 113, 114, 115 égal au nombre de mémoires moins un.

Une première mémoire 102 à son entrée connectée uniquement à la sortie du bloc iFFT. Les K-1 autres mémoires 103, 104, 105 ont leur entrée connectée alternativement à la sortie du bloc iFFT 101 ou à la sortie d'une autre mémoire 102, 103, 104 selon la position des K-1 commutateurs 113, 114, 115.

Ces commutateurs sont représentés sur la figure 2 dans une position intermédiaire entre une position haute dans laquelle chaque mémoire est reliée à la sortie du bloc iFFT et charge donc l'ensemble d'échantillons émis à cette sortie, et une position basse dans laquelle la première mémoire 102 est connectée au bloc iFFT et les K-1 autres mémoires 103, 104, 105, appelées deuxième mémoire 103, troisième mémoire 104 et quatrième mémoire 105, sont connectées en série avec la première mémoire 102.

Au début de la transmission d'un paquet, les commutateurs 113, 114, 115 aux entrées des deuxième, troisième et quatrième mémoires 103, 104 et 105 respectivement sont en position haute et le premier ensemble de M échantillons délivré par le bloc iFFT 101 est chargé dans les 4 mémoires. Ensuite, les commutateurs 113, 114, 115 sont amenés en position basse et les ensembles de M échantillons qui sont émis successivement à la sortie du bloc iFFT 101 sont appliqués à la première mémoire 102, alors que l'entrée des deuxième, troisième et quatrième mémoires 103, 104 et 105 successives est connectée respectivement à la première, deuxième et troisième mémoire 102, 103, 104 qui les précède : les deuxième, troisième et quatrième mémoires 103, 104, 105 chargent respectivement les ensembles de M échantillons contenus dans la première, deuxième et troisième mémoire 102, 103, 104 qui les précède.

La cadence de ces opérations est celle du calcul effectué dans le bloc iFFT. Cette cadence est imposée par un dispositif de synchronisation (non représenté).

En traitement du signal, l'opération de préchargement des mémoires décrite représente l'application d'un signal constant, c'est à dire de fréquence nulle, aux sous-canaux, ce qui conduit à la génération d'un signal périodique disponible à la sortie du banc de filtres sans phase de transition due à la réponse impulsionnelle du filtre. En général, le premier symbole est un symbole dit de préambule P, connu du récepteur, qui sert à aligner le récepteur et l'émetteur et à mesurer les caractéristiques du canal reliant l'émetteur 100 au récepteur 200. Une illustration du processus décrit est donnée à la figure 3. Au début de la transmission, un symbole de préambule P est appliqué à l'entrée du bloc iFFT 101, suivi par des symboles de données. La figure 3 montre la superposition du signal de préambule SP et du signal de données SD, les signaux correspondant aux différents symboles étant séparés par des lignes verticales. Sur la figure 3, l'axe vertical représente l'amplitude A du signal et l'axe horizontal le temps t, avec la période d'échantillonnage comme unité. Il n'y a pas de phase de transition pour le symbole de préambule. Pendant la phase de transition du signal de données, le signal de préambule est présent et il peut être exploité.

Comme le montre la figure 4, le récepteur 200 comporte ici un bloc FFT 201 adapté à fournir à sa sortie une transformée de Fourier dudit signal appliqué à son entrée et un réseau polyphasé comportant un nombre d'autres mémoires 202, 203, 204, 205 ici égal au nombre K de mémoire du réseau polyphasé de l'émetteur 100, donc au nombre de quatre, qui alimentent un autre dispositif de sommation 206 qui effectue une sommation pondérée des signaux mis en mémoire dans les autres mémoires. Avantageusement, ce récepteur 200 comporte d'autres commutateurs

213, 214, 215 ayant chacun une entrée connectée à l'entrée dudit récepteur 200, une entrée connectée à l'une desdites autres mémoires 202, 203, 204 et une sortie connectée à une autre desdites autres mémoires 203, 204, 205.

Plus précisément, le récepteur 200 comporte un nombre K-1 d'autres commutateurs 213, 214, 215 égal au nombre d'autres mémoires qu'il comporte moins un.

Une première autre mémoire 202 a son entrée connectée uniquement à la sortie du canal de transmission 30 et reçoit le signal reçu r(n). Les K-1 autres mémoires 203, 204, 205 du récepteur 200 ont leur entrée connectée alternativement à la sortie de ce canal de transmission 30 ou à la sortie d'une autre mémoire 202, 203, 204 du récepteur 200 selon la position des K-1 commutateurs 213, 214, 215.

Ces autres commutateurs 213, 214, 215 sont représentés sur la figure 4 dans une position intermédiaire entre une position haute dans laquelle chaque mémoire est reliée à la sortie du canal de transmission 30 et charge donc un ensemble de M échantillons du signal reçu r(n), et une position basse dans laquelle la première autre mémoire 202 est connectée au canal de transmission 30 et les K-1 autres mémoires 203, 204, 205, appelées deuxième autre mémoire 203, troisième autre mémoire 204 et quatrième autre mémoire 205 sont connectées en série avec la première autre mémoire 202.

Au début de la réception d'un paquet, les autres commutateurs 213, 214, 215 sont en position haute, et le premier ensemble de M échantillons du signal reçu r(n) est chargé dans chacune des autres mémoires 202, 203, 204, 205.

Ensuite, ces autres commutateurs 213, 214, 215 sont mis en position basse de manière que les deuxième, troisième et quatrième autres mémoires 203, 204, 205 sont connectées les unes aux autres en série et chargent donc à chaque temps de la cadence de synchronisation, le signal mis en mémoire dans la mémoire précédente. Les autres mémoires 202, 203, 204 et 205, avec le dispositif de sommation pondérée 206, réalisent le réseau polyphasé du récepteur.

Les coefficients de pondération utilisés dans la sommation réalisée par l'autre dispositif de sommation 206 sont les éléments de la réponse impulsionnelle du filtre prototype dont le banc de filtres d'analyse est dérivé.

Le bloc FFT 201 délivre les ensembles d'échantillons 4 qui représentent les symboles de données 3 appliqués à l'émetteur.

Alternativement, le système de transmission selon l'invention peut comporter une pluralité d'émetteurs et de récepteurs tels que décrits précédemment.

En variante, pour atteindre le débit maximum, la technique FBMC est combinée avec la modulation OQAM, dont une description détaillée est donnée dans l'article de B. Hirosaki déjà cité ou encore dans l'article de P. Siohan et al.,

"Analysis and design of OFDM/OQAM Systems based on Filter Bank Theory", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.50, N°5, 2002.

Comme le montre la partie supérieure de la figure 5, l'émetteur du système de transmission selon l'invention comporte alors deux réseaux polyphasés 302, 303 qui fonctionnent en parallèle, avec un décalage temporel égal à la moitié de la durée d'un symbole. Leurs signaux de sorties 304, 305 sont ajoutées pour obtenir les échantillons du signal multiporteuse émis y(n) appliqué au canal de transmission. Ces signaux de sortie 304, 305 sont représentés schématiquement sur la partie inférieure de la figure 5. Un bloc iFFT 301 unique, fonctionnant à cadence double, peut être utilisé comme représenté sur la partie supérieure de la figure 5.

Le récepteur peut également comporter de la même façon deux réseaux polyphasés. Le principe du préchargement peut s'appliquer à l'un ou à l'autre des deux réseaux polyphasés ou aux deux. Les fonctions duales sont réalisées au récepteur.

Le signal obtenu au début de la réception à la sortie du banc de filtres d'analyse du récepteur et après conversion parallèle/série est montré à la figure 6. Dans cet exemple, les données émises sont binaires (±1) et l'amplitude du signal est égale à l'unité. L'axe horizontal représente le temps t avec la période d'échantillonnage comme unité. La figure 6 montre la réception des symboles de préambule 5 et des données 6. Un seul réseau polyphasé est utilisé pour le préambule avec préchargement des mémoires, la modulation OQAM étant appliquée aux données seulement. Le nombre de symboles dé préambule dans la séquence obtenue est égal au nombre K=4 de mémoires dans le réseau polyphasé.

Les échantillons correspondant aux symboles de préambule reçus, en sortie du banc de filtres d'analyse, sont traités pour - estimer la réponse en fréquence du canal. Si le symbole de préambule est constitué d'éléments binaires, la simple multiplication par ces éléments des échantillons de sortie du banc de filtres d'analyse fournit la réponse du canal aux fréquences centrales des sous-canaux utilisés. L'exploitation des 4 symboles de préambule peut apporter un gain en rapport signal à bruit allant jusqu'à 3 dB, ce qui est avantageux en présence d'un canal fortement bruité ;

- estimer le décalage temporel, si nécessaire : une fois estimée la réponse en fréquence du canal, un calcul de transformée de Fourier discrète inverse fournit la réponse impulsionnelle du canal de laquelle le décalage temporel se déduit, par exemple par seuillage ; - estimer la puissance du bruit après démodulation.

Le détail des opérations correspondant à ces traitements est donné, notamment, dans l'article de M. Morelli et al. cité précédemment. La technique du préchargement des mémoires s'applique aux systèmes dits MIMO, c'est-à-dire des systèmes de transmission qui comportent plusieurs émetteurs et plusieurs récepteurs. Une description détaillée des systèmes MIMO est donnée dans l'article de A.J.Paulraj et al. ,"An Overview of MIMO Communications", Proceedings of the IEEE, Vol.92, N°2, Feb.2004.

Dans ce contexte, il est nécessaire d'estimer les réponses en fréquence des canaux qui relient chacun des récepteurs à l'ensemble des émetteurs. Avec la méthode de transmission du signal avec préchargement des mémoires, les canaux peuvent être estimés simultanément et sans retard, à la condition que le symbole de préambule soit convenablement défini.

Cette méthode est ici décrite pour le cas de deux émetteurs. Le symbole de préambule du premier émetteur utilise les sous-canaux d'indice pair et celui du second émetteur les sous-canaux d'indice impair. A l'entrée du récepteur, les signaux des deux canaux s'ajoutent. Cependant, comme les deux signaux utilisent des sous-canaux différents et que la technique de préchargement équivaut à appliquer un signal constant aux entrées des sous-canaux, il n'y a pas d'interférence, la séparation des signaux est effectuée par le récepteur et les deux canaux de transmission sont estimés simultanément et sans retard. L'estimation est réalisée pour les fréquences centrales d'un sous-canal sur deux dans chaque cas. L'estimation à toutes les fréquences centrales peut s'obtenir par interpolation. L'approche s'étend facilement à plus de deux émetteurs, en choisissant convenablement les sous-canaux utilisés par les symboles de préambule appliqués à chaque émetteur.

Diverses modifications de la présente invention peuvent apparaître à l'homme de l'art au vu de la présente description et des schémas qui l'accompagnent.