FR2890805A1 - Procede de modulation avec insertion de symboles semi-pilotes - Google Patents

Abstract

Procédé et dispositif de modulation d'un signal comportant des symboles de données et des symboles de référence caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape (3) où l'on introduit des symboles semi-pilotes transportant moins d'informations que les symboles habituellement utilisés mais suffisamment pour obtenir des décisions décidées lors d'une étape de décodage (9), les symboles semi-pilotes étant disposés entre les symboles de donnée et les symboles de référence.

Description

PROCEDE DE MODULATION AVEC INSERTION DE SYMBOLES SEMI-

PILOTES

L'invention concerne notamment un procédé et un modem permettant d'optimiser le décodage par insertion de symboles de qualité intermédiaire. Ces symboles de qualité intermédiaires sont appelés symboles semi-pilotes dans la description qui suit.

L'invention s'applique notamment dans le domaine des transmissions par satellite. Elle peut également être utilisée dans d'autres cas d'emploi tels que les transmissions sporadiques en salve ou burst en canal à multi trajets. L'utilisation de préambule hybride (référence + sous- 1 o ensemble ou subset) permet notamment de rallonger substantiellement le préambule tout en améliorant le décodage des bits transportés par le préambule hybride.

L'invention est aussi utilisée pour des modes de transmission en continu.

L'invention peut aussi être intéressante dans le cas de canaux à évolution rapide. Ces canaux nécessitent en effet, un suivi rapide du canal, qui est classiquement obtenu par la répétition des préambules avec une période faible.

L'emploi de codes puissants, tels que les turbo codes, permet d'abaisser les valeurs du rapport signal à bruit désigné par l'abréviation anglosaxonne SNR (signal noise ratio) nécessaires pour transmettre un message. Cet abaissement conduit de plus en plus les démodulateurs aux limites de leur capacité d'estimation du canal. Ceci est d'autant plus vrai que la descente en SNR permet une montée en efficacité spectrale liée à l'emploi de constellations plus complexes, par exemple, la constellation 16 QAM (abréviation anglo-saxone de quadrature amplitude modulation), la constellation 32 APSK (abréviation anglo-saxone d'amplitude phase shift keying), etc. Les schémas de codage obtenus, souvent des BICM (abréviation anglo-saxonne de Bit Interleaved Coded Modulation) permettent de se rapprocher toujours plus de la limite théorique de Shannon, en supposant que le modem ait un comportement optimal.

Le démodulateur doit estimer des paramètres tels que l'amplitude d'arrivée, la phase, la fréquence incidente, le canal à multi-trajets, etc. Ceci est d'autant plus difficile que le bruit augmente.

Les procédés actuellement connus pour résoudre ce problème consistent, par exemple, à ajouter périodiquement des références au niveau de l'émission du signal. Ces références sont disposées en blocs ou de manière discrète.

Lorsque les conditions de démodulations sont difficiles, comme par exemple pour les démodulations en slaves courtes (burst, TDMA) ou lorsque le canal est difficile à démoduler (canal à multi-trajet, bruit de phase important, erreur de fréquence ou accélération Doppler importante) l'émission insère périodiquement, notamment en début (burst satellite) ou en milieu de salve (GSM ou global system mobile), des symboles connus, appelés symboles pilotes ou symboles de référence. L'insertion de ces symboles de référence augmente la bande utilisée et le rapport Eb/NO correspondant à l'énergie par bit d'information transmis et la densité spectrale de bruit blanc .

Lorsque les symboles de référence ne sont pas assez nombreux, le démodulateur fait des erreurs d'estimation qui se traduisent par un bruit ajouté au bruit reçu par le modem. Ce bruit de démodulation peut dégrader les performances du démodulateur ou même conduire à un décrochage de ce dernier auquel aucun code d'erreur ne peut remédier. Au contraire, lorsque les symboles de référence sont trop nombreux, on perd en efficacité spectrale (les symboles insérés ne portent pas d'informations) et en rapport signal à bruit (l'énergie investie dans les symboles de référence n'est pas utilisée par le décodeur).

Un des inconvénients de ces techniques est donc qu'elles font une différence importante entre les symboles de données et les symboles de référence.

L'idée de l'invention consiste notamment à introduire des symboles de qualité intermédiaire ou symboles semi-pilotes par exemple entre les symboles de donnée et les symboles de référence. Par l'expression qualité intermédiaire, on entend notamment des symboles qui transportent moins d'information que les symboles d'information classiquement utilisés, mais qui permettent au démodulateur une meilleure prise de décision pour ses estimations décidées, DD (Decision Directed). Ces symboles sont donc appelés semi-pilotes par analogie avec les symboles pilotes qui sont entièrement connus (symboles dits de référence). Il est par exemple possible de remplacer un groupe de R symboles de référence et de D symboles de donnée par (R+D) symboles semi-pilotes. Le modem peut alors utiliser une information de meilleure qualité pour son estimation DD.

L'énergie transmise aux symboles semi-pilotes est équivalente à celle des symboles d'information, mais la distance libre de la constellation des symboles semi-pilotes, c'est à dire la distance minimale entre deux points distincts de la constellation est sensiblement plus importante que pour la constellation native. Le plus souvent le rapport des distances est choisi avec un facteur d'au moins racine de 2, soit 3dB en rapport signal à bruit.

L'invention concerne un procédé de modulation d'un signal comportant des symboles de données et des symboles de référence caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape où l'on introduit des symboles semi-pilotes transportant moins d'informations que les symboles habituellement utilisés mais suffisamment pour obtenir des décisions décidées lors d'une étape de décodage, les symboles semi-pilotes étant disposés entre les symboles de donnée et les symboles de référence.

La technique mise en oeuvre par l'invention permet notamment de re synchroniser à moindre frais un algorithme d'égalisation du type DFE (abréviation anglo-saxone de Decision Feedback Equalizer). L'utilisation de symboles semi-pilotes permet une prise de décision localement correcte avec environ moitié moins de symboles de référence.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif, annexée des figures qui représentent: É La figure 1 un schéma d'un système émission réception comprenant un dispositif de modulation à l'émission et un dispositif de 35 démodulation pour la réception, É La figure 2 un schéma montrant une répartition temporelle possible pour des symboles de données, semipilotes, É Les figures 3A à 3D, différents choix pour les constellations et les symboles semi-pilotes choisis selon l'invention, É La figure 4 une fonction de coût en fréquence comparée pour un modem 8PSK n'utilisant que des symboles de références et pour un modem utilisant des symboles de références et QPSK, É La figure 5 une fonction de coût en fréquence comparée pour un modem 8PSK références et QPSK et pour un modem utilisant références, BPSK et QPSK (mélange) É La figure 6 un Zoom de la fonction de coût dans la zone de validité de la borne de Cramer Rao.

L'idée de la présente invention consiste notamment, au niveau de l'étape d'émission, à introduire des symboles semi-pilotes entre des symboles de données et des symboles de référence et au niveau de l'étape de réception à utiliser ces symboles de qualité intermédiaire pour optimiser la prise de décision au niveau du démodulateur. On remplace alors certains symboles pilotes parfaitement définis par des symboles semi-pilotes. Les symboles semi-pilotes transportant de l'information, il est possible (à nombre de symboles transmis constant) de transformer certains symboles d'information en symbole semi-pilotes.

Sur la figure 1 on a schématisé un ensemble d'émission-réception. La partie émission comporte notamment une interface 1 avec le signal numérique à émettre (signal composé de symboles de référence et de symboles de données provenant d'une ou de plusieurs sources). Le signal numérique est transmis à un codeur 2, puis à un dispositif de mise en trame 3 ayant notamment pour fonction d'introduire les symboles de qualité intermédiaire ou symboles semi-pilotes. La trame ainsi obtenue est transmise à un modulateur 4. Le signal modulé et porteur des symboles de qualité intermédiaire est ensuite transmis à un émetteur radio 5. Sans sortir du cadre de l'invention, l'insertion de symboles semi-pilotes peut être effectuée par l'ensemble constitué du dispositif de mise en trame et du modulateur.

Le signal modulé après traversé du canal de propagation est reçu par un récepteur radio 6 puis démodulé par un démodulateur 7 adapté à exploiter les symboles semi-pilotes, avant d'être démappé 8, puis décodé 9. Le signal décodé est transmis à une interface 10.

Le dispositif fournit alors un procédé de protection inégale de l'information par adaptation de modulation à la résistance relative visée pour les différents flux de données.

Lors de la transmission, des défauts tels que le bruit sont ajoutés au signal émis.

Le nombre de ces symboles et la façon dont ils sont répartis temporellement dans la trame du signal au niveau du codage sont choisis, par exemple, en fonction de l'application visée. Un exemple est donné à la figure 2.

Le procédé selon l'invention comporte notamment une étape d'insertion de symboles semi-pilotes entres les symboles de données et les symboles de référence, lorsque les sources de données sont de valeur ou d'importance différentes. Les symboles semi-pilotes transmettent alors l'information la plus protégée.

Les figures 3A à 3D représentent respectivement différents choix de sous constellation pour différentes constellations, et un choix de constellation de symboles semi-pilotes non situés sur la constellation native des symboles d'information, On donne, à titre d'exemple non limitatif, une liste de constellations et de sous-constellations pouvant être utilisées pour la mise en oeuvre de l'invention.

On peut choisir, par exemple, une sous constellation de la constellation 30 utilisée: É Des symboles BPSK {+1, -1), lorsque l'on module en QPSK {+ 1, +I1, -1, 4-11, É Des symboles QPSK {+1, +i, -1, -i}, lorsque l'on module en 8PSK: exp{"l-1 *k*r1J4; 0<_k<8}, É Des symboles QPSK {+3+ i, -1+3i, -3-i, 1-i} lorsque l'on module en 16QAM {+a+b+i; a=-3, -1, +1, + 3} et b= {-3, -1, +1, +3}.

Il est également possible: É De répéter des symboles répétés lorsque l'on module en BPSK {+1, -11, É D'utiliser une autre constellation qui n'est pas une sous-constellation de la constellation mère utilisée pour la modulation du signal.

o Les figures 3A à 3D représentent des exemples d'utilisation du modem et l'obtention de symboles semi-pilotes à partir des symboles de référence et des symboles de données. L'exemple vise pour le modem, à minimiser le coût c'est à dire l'erreur quadratique moyenne entre le signal reçu et le signal décidé.

Sur la figure 3A, on a représenté pour la modulation QPSK, les symboles de référence, les symboles de données et les symboles semi-pilotes obtenus.

La figure 3B schématise pour la modulation 8PSK, deux possibilités de symboles semi-pilotes obtenus à partir de symboles de référence et à partir des symboles de données. On a schématisé un semi-pilote QPSK faible, augmentant la distance libre de +5.3 dB et un semi-pilote en BPSK, gagnant +8.3 dB.

L'exemple est donné pour un procédé dans lequel la transmission utilise une modulation 8PSK associée à un turbo code de rendement 2/3.

Dans ces conditions l'association modulation + code demande un rapport signal à bruit par bit d'information transmis Eb/NO environ égal à 6dB.

Les 424 bits sont donc codés, dans le cadre d'une modulation BICM, en 636 bits qui nécessitent 212 symboles d'information codés en 8PSK.

Le modem ajoute ici, pour ses propres besoins de synchronisation 32 symboles de références sous la forme 18 en début de paquet, 6 en fin de paquet et 6 uniformément répartis dans la trame. Il transmet donc 242 symboles.

Le procédé selon l'invention transforme les 6 symboles de 35 postambule ainsi que les 12 symboles d'information modulés en 8 PSK précédant ces 6 symboles de postambule en 18 symboles d'information modulés en QPSK, transportant donc le même nombre de bits codés. Ces 18 symboles sont, dans cet exemple, placés en fin de paquet, pour augmenter le pouvoir discriminatoire sur la rotation de phase en fin de paquet et donc sur l'erreur de fréquence.

La figure 3C schématise le cas de la modulation 16 QAM, avec le symbole de référence, le symbole de données, les points de la constellation semipilote en traits pleins, et les points de la constellation mère qui ne sont pas utilisés et qui apparaissent en pointillés.

Sur la figure 3D, on a représenté un autre cas pour la modulation 16 QAM. On a 2 types de constellation pour les symboles semi-pilotes: L'ensemble A optimise l'information passée au décodeur alors que l'ensemble B de semi-symboles optimise la distance euclidienne pour une énergie donnée. L'ensemble B optimise donc la démodulation.

Le gain pour le modem est illustré figure 4. La courbe de coût en fonction de la fréquence pour le système références seules est en dessous de la courbe références+QPSK .

Il apparaît donc que le modem utilisant l'information que les symboles finaux sont modulés en QPSK aura une meilleure estimée en fréquence qu'un modem recevant un burst modulé uniquement avec des références et des symboles 8QPSK.

Le bruit ajouté par le modem lors de la démodulation est donc plus faible dans le cas références = QPSK et donc, à code équivalent, le travail du 25 décodeur va s'en trouver amélioré.

Par ailleurs, lors de la conversion symbole vers bits, plus connu sous le terme anglo-saxon démapping des 18 symboles QPSK, le démodulateur utilise la plus grande distance libre de la constellation QPSK pour fournir une meilleure information a priori sur 24 bits des 36 bits correspondants. Cette meilleure connaissance se traduit par un gain sur le point de fonctionnement du décodeur. Dans le cas présent, le gain mesuré est de 0. 3 dB, soit un rapport signal sur bruit C/N de 9 dB pour un taux d'erreur de 10.4 au lieu de 9.3 dB pour le modèle avec références classiques.

Les résultats de la figure ont été obtenus en transformant deux symboles QPSK en des signaux pilotes constitués d'un symbole 8PSK et d'un symbole PSK. Sur la figure on peut noter que la courbe Ref + QPSK chute aux environs d'une rotation de 7r/2 sur le burst, créée par l'ambiguïté de Tc/2 des symboles QPSK a été atténuée par l'utilisation de symboles BPSK, qui ne souffrent pas cette ambiguïté.

Cette transformation bénéficie au modem (moins de risques d'erreur de fréquence), mais nuit au code correcteur d'erreur car celui-ci voit alors trois bits 8PSK et un bit BPSK, qui sont moins porteurs d'information que 4 bits issus de deux symboles QPSK.

Les schémas ref+QPSK et Ref+BPSK+QPSK donnent ici 10 les mêmes performances.

Les figures 5 et 6 montrent le gain apporté par le système selon l'invention dans le cadre de la transmission en paquet de cellules ATM (Asynchronous Transfert Management) de 424 bits. Ces figures indiquent la fonction coût de l'erreur en fréquence commise par le modem. Ces courbes de coût sont l'image de l'erreur quadratique pour la fréquence nulle. Une abscisse de x indique une erreur de fréquence correspondant à une rotation de x tours sur la longueur de burst.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 Procédé de modulation d'un signal comportant des symboles de données et des symboles de référence caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape où l'on introduit (3) des symboles semi-pilotes transportant moins d'informations que les symboles habituellement utilisés mais suffisamment pour obtenir des décisions décidées lors d'une étape de décodage (9), les symboles semi-pilotes étant disposés entre les symboles de donnée et les symboles de référence.

2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les symboles semi-pilotes sont disposés à la fin de la trame du signal.

3 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise pour les symboles semi-pilotes une sous-constellation de la constellation utilisée 15 pour la modulation.

4 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise comme symboles semi-pilotes des symboles BPSK lorsque l'on module en QPSK.

5 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise comme symboles semi-pilotes des symboles QPSK lorsque l'on module en 8PSK.

6 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise des symboles QPSK lorsque l'on module en 16QAM.

7 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise comme symboles semi-pilotes des symboles semi-pilotes issu d'une constellation différente.

8 Dispositif de modulation d'un signal constitué d'une ou de plusieurs sources de données et de symboles de référence caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants: un dispositif de modulation (4) du signal, un moyen (3) adapté à introduire des symboles semi-pilotes entre les symboles de données et les symboles de référence.