FR3067186A1 - Procede de suppression de signaux multi-trajets pour recepteur de signaux radio modules en frequence - Google Patents

Procede de suppression de signaux multi-trajets pour recepteur de signaux radio modules en frequence Download PDF

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Abstract

Procédé de réduction d'interférence multi-trajets, pour sa mise en œuvre dans un récepteur radio de véhicule comprenant une antenne de réception radio recevant une pluralité de signaux radio correspondant à un signal radio émis, ladite pluralité de signaux reçus par ladite antenne étant composés de signaux radio décalés temporellement, ladite pluralité de signaux étant destinés à être combinés pour fournir un signal radio combiné zn à restituer, avec zn = wTnYn, ledit procédé visant à déterminer lesdites composantes complexes dudit vecteur de poids complexes et comprenant : • l'introduction d'une corrélation temporelle entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, fonction du décalage temporel entre lesdits signaux reçus, au moyen de l'expression desdits poids complexes en coordonnées polaires, • la mise en œuvre d'un algorithme d'adaptation itératif pour déterminer les gains et retards desdits poids complexes, aptes à maintenir constant dans le temps le module de zn.

Description

L’invention concerne le domaine de la réception de signaux radio modulés en fréquence, en particulier dans des récepteurs radio mobiles exposés au phénomène du multi-trajets, ou « multipath >> selon le terme équivalent en anglais, connu de l’homme du métier.
Plus précisément, la présente invention vise un procédé pour supprimer les ondes radio réfléchies, issues du phénomène de « multipath >>, dans un récepteur de signaux radio modulés en fréquence.
Comme cela est connu, un récepteur radio, notamment dans un système multimédia d’un véhicule automobile, est apte à recevoir un signal radio, en particulier un signal radio FM, FM étant l’abréviation anglaise pour « Frequency Modulation >> signifiant « modulation de fréquence >>.
Un tel signal radio FM, reçu sous forme modulé par un récepteur radio, est soumis à différents senseurs et à un filtrage adapté pour que le signal radio démodulé correspondant puisse être restitué dans de bonnes conditions, notamment dans l’habitacle d’un véhicule automobile.
L’homme du métier connaît le principe de fonctionnement d’un signal radio FM, c’est-à-dire modulé en fréquence, reçu par un récepteur radio adapté, en vue d’être démodulé puis restitué à des auditeurs.
Une problématique connue ayant trait à la réception d’un signal radio FM via un récepteur radio mobile, en particulier intégré dans un véhicule automobile, réside dans le fait que le signal radio FM émis par un émetteur peut être réfléchi par des obstacles naturels ou des immeubles par exemple, avant d’être reçu par une antenne du récepteur radio. En d’autres termes, le signal radio émis, avant d’être reçu par une antenne du récepteur, peut avoir suivi différents trajets, plus ou moins longs.
Il en découle une nécessaire sélectivité, car un même signal radio peut être reçu par une antenne plusieurs fois, avec différents décalages temporels. Cette problématique est connue de l’homme du métier, qui la désigne généralement sous le terme anglais de « multipath >>.
En référence à la figure 1, pour pallier en partie les inconvénients précités relatifs au « multipath >>, des filtres à réponse impulsionnelle FIR visant à supprimer les interférences générées par la multiplicité des signaux reçus en raison du phénomène de « multipath >>, décrit précédemment, ont été développés. Ces filtres FIR mettent en œuvre des algorithmes CMA, abréviation anglaise pour « Constant Modulus Algorithm >>, signifiant « algorithme à module constant >>, qui sont configurés pour annuler de l’ensemble des signaux yn reçus, ceux correspondant à des signaux secondaires générés par le phénomène de « multipath », en vue de fournir un signal radio FM traité zn.
Ainsi, toujours en référence à la figure 1, xn représente le signal émis par l’antenne émettrice, présentant par définition un module constant, et yn représente le signal radio reçu par l’antenne réceptrice du récepteur radio du véhicule considéré, C représentant la fonction de transfert du canal de transmission entre ladite antenne émettrice et ladite antenne réceptrice.
Le signal radio reçu yn présente un module non constant car il est le fruit de la combinaison de plusieurs signaux reçus décalés temporellement, c’est-à-dire issus de différents signaux émis xn plus ou moins retardés.
En bout de chaîne, le signal radio traité zn constitue le signal radio reconstruit après application de l’algorithme CMA.
Selon l’état de la technique, les algorithmes de suppression des signaux « multipath >> sont généralement du type « à module constant >>. En effet, le principe de la modulation en fréquence assure que le signal radio émis présente un module constant. De ce fait, des algorithmes de calcul, désignés algorithmes CMA ont été mis au point et l’homme du métier cherche en permanence à les améliorer, avec pour contrainte principale d’assurer, après calcul, un module sensiblement constant du signal radio combiné au sein du récepteur, après traitement.
Les algorithmes CMA sont des algorithmes de calcul itératifs ayant pour objectif de déterminer les parties réelles et imaginaires de poids complexes à appliquer aux signaux radios FM reçus par une antenne d’un récepteur radio, en vue de les combiner, de manière à supprimer du signal radio combiné les interférences dues au « multipath ».
D’un point de vue mathématique, le principe présenté ci-dessus, dans lequel des poids complexes sont attribués à des signaux radio multiples reçus par une antenne d’un récepteur radio, dont en particulier des signaux reçus après réflexion, source d’interférences de « multipath », en vue de former un signal radio combiné à restituer, après annulation des interférences dues au « multipath », se traduit de la façon suivante.
Le signal radio combiné s’écrit :
K-l K-l zn ~ Yn — w(k)y(n-k) ~ (A(fc) + jb(k))y(n-k) k=0 k=0 où, à l’instant n, yn est le signal radio, en bande de base complexe, reçu par l’antenne considérée et w(n) est le poids complexe attribué, via un filtre à réponse impulsionnelle, audit signal radio reçu.
Selon l’état de la technique, des algorithmes CMA sont mis en œuvre pour déterminer le vecteur complexe Wn apte à minimiser la fonction de coût suivante :
Jcma = E[(\zn\2 - R2)2}, où R est une constante à déterminer, correspondant au module constant du signal combiné.
Selon l’état de l’art, le vecteur de poids complexes Wn est considéré comme constitué de complexes linéaires, ledit vecteur Wn ayant par conséquent la forme suivante :
a(0) + Ao) a(l) + Al)
Wn =
Figure FR3067186A1_D0001
Les composantes de ce vecteur de poids complexes Wn, formant les coefficients d’un filtre adaptatif à appliquer au signal radio reçu, sont indépendantes les unes des autres et les parties réelles et imaginaires de chaque composante également.
La fonction de coût correspondante peut être réduite par la technique du gradient instantané pour s’écrire :
VJcma= 2(|zn|2-ff2)V|zn|2 = 2(|zn|2 -Æ2)V(znzn) = 2(|zn|2 — ff2)(znVzn + znVzn)
Figure FR3067186A1_D0002
Figure FR3067186A1_D0003
Figure FR3067186A1_D0004
et Vzn = dzn dWn Y2L
M , on obtient :
Soit :
VJcma = 4(|zn|2 - R2)znYn
La mise à jour des poids complexes découle donc de la formule suivante :
Wn+1 = wn- μ(|ζη|2 - R2)znYn
Un inconvénient majeur des techniques de filtrage adaptatif connues et des algorithmes CMA tels qu’ils sont appliqués aujourd’hui, en vue de déterminer de façon indépendante les poids complexes à appliquer aux signaux reçus par l’antenne d’un récepteur radio mobile afin d’en éliminer les interférences dues au « multipath », réside dans le fait qu’ils convergent parfois lentement, et surtout dans le fait qu’ils convergent parfois à mauvais escient. En d’autres termes, il arrive que des poids complexes vérifiant les conditions requises amènent à la restitution d’un signal radio de mauvaise qualité.
Les problèmes de stabilité sont ainsi particulièrement fréquents.
Comme cela est connu de l’homme du métier, ces difficultés à converger rapidement vers des solutions correctes et stables sont particulièrement présentes dans le domaine de la réception radio FM, car la seule contrainte certaine exploitable a priori par les algorithmes réside dans le fait que le module de l’enveloppe du signal radio modulé en fréquence est constant.
Or, d’un autre côté, l’antenne reçoit une pluralité de signaux radio, correspondant au signal radio émis ayant suivi différents chemins, direct ou avec une ou plusieurs réflexions, et un poids complexe doit être déterminé en vue d’être appliqué à chacun de ces signaux radio. L’équation comporte un grand nombre d’inconnues et les algorithmes CMA ont par conséquent pour objectif de déterminer les meilleures solutions, parmi un ensemble de solutions non optimales permettant d’assurer un module constant du signal radio combiné.
Plus particulièrement, dans des scénarios où les signaux radio désirés coexistent avec des signaux radio transmis sur des canaux adjacents en fréquence, ce problème de convergence est plus prononcé. Il arrive souvent que des poids complexes obtenus par des algorithmes CMA privilégient des signaux radio adjacents au détriment des signaux radio désirés.
C’est pour pallier à ces inconvénients que la présente invention est proposée, en vue de permettre la combinaison de signaux radio FM reçus par une antenne d’un récepteur radio, lesdits signaux étant le produit d’un phénomène de « multipath », selon une technique améliorée visant à la suppression des interférences dues au « multipath ».
A cette fin, la présente invention prévoit en particulier l’introduction, dans le procédé visant in fine la combinaison des signaux radio FM produits d’un phénomène de « multipath », reçus par une antenne d’un récepteur radio, d’une corrélation temporelle entre lesdits signaux reçus.
Ainsi, plutôt que de considérer les poids complexes à attribuer à chacun desdits signaux reçus par ladite antenne comme indépendants, la présente invention propose un modèle adaptatif sur le plan temporel pour améliorer la performance du récepteur radio du point de vue de la suppression des interférences dues au « multipath ».
Le procédé de réduction du « multipath » pour un récepteur radio FM, selon l’invention, intègre ainsi une corrélation temporelle entre les gains et les déphasages respectifs de la pluralité de signaux reçus par l’antenne d’un récepteur radio, pour réduire les degrés de liberté de l’équation à résoudre par les algorithmes itératifs mis en œuvre, tels que des algorithmes CMA.
De cette façon, lesdits algorithmes itératifs mis en œuvre pour déterminer les poids complexes à attribuer à chacun des signaux radio reçus convergent plus rapidement et sont plus stables.
Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de réduction d’interférence multi-trajets, pour sa mise en œuvre dans un récepteur radio de véhicule, ledit récepteur radio étant destiné à recevoir un signal radio émis et comprenant une antenne de réception radio recevant une pluralité de signaux radio correspondant audit signal radio émis, ladite pluralité de signaux reçus par ladite antenne étant composés de signaux radio décalés temporellement, issus d’un phénomène de multi-trajets, ladite pluralité de signaux radio étant destinés à être combinés pour fournir un signal radio combiné zn à restituer, avec zn = w^Yn à l’instant n, où Yn est un vecteur dont les composantes correspondent à la pluralité de signaux reçus, exprimés en bande de base complexe, et Wn est un vecteur dont les composantes correspondent à des poids complexes destinés à être attribués respectivement à chacun des signaux radio de ladite pluralité de signaux radio reçus, pour former le signal radio combiné zn dans lequel un ensemble de signaux radio secondaires issus du phénomène de multi-trajets sont annulés, ledit procédé visant à déterminer lesdites composantes complexes dudit vecteur de poids complexes et comprenant les étapes suivantes :
• l’introduction d’une corrélation temporelle entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, ladite corrélation étant fonction du décalage temporel entre lesdits signaux de ladite pluralité de signaux radio reçus, au moyen de l’expression desdits poids complexes en coordonnées polaires, de sorte que :
goexp(j6»o) ^exp(j^)
Wn = gK-i expCj^-J de façon à intégrer une interdépendance entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, et • la mise en œuvre d’un algorithme d’adaptation itératif pour déterminer g0, g2, gk_2 et 0O, Θx, ..., aptes à maintenir constant dans le temps le module de zn.
Grâce au procédé selon l’invention, les algorithmes itératifs mis en œuvre pour déterminer les poids complexes Wn convergent plus rapidement et présentent une stabilité améliorée, grâce à la réduction des degrés de liberté obtenue par l’introduction d’une corrélation temporelle induisant une interdépendance dans la mise à jour des coefficients desdits poids complexes.
Avantageusement, ledit algorithme d’adaptation itératif est un algorithme d’adaptation à module constant.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend la détermination d’une constante R correspondant au module de l’enveloppe du signal radio modulé en fréquence émis, la mise en œuvre de l’algorithme d’adaptation itératif consistant en la détermination de Gn, Θη aptes à minimiser dans le temps la fonction de coût caractérisée par le gradient instantané suivant :
-R2)
Æe[ zn exp(/@n) ° Yn ]_
- 2 Im[ zn Gn° exp(/6>n) ° Kn] où Gn est un vecteur composé des gains complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n, &n est le vecteur composé des retards complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n et l’opérateur « ° » est défini comme réalisant la multiplication de deux vecteurs, composante par composante, la résultante étant un vecteur.
Selon un mode de réalisation, les évolutions respectives de Gn, Θη dans le temps sont calculées au moyen des formules suivantes :
Gn+1 = Gn - Pg (\zn\2 - R2) Re[ zn exp(/'@n) ° ÎQ 0n+i = &n + lie OnT - R2) Im[ zn Gn° exp(;@n) ° ÏÇ] où Gn est un vecteur composé des gains complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n, ©n est le vecteur composé des retards complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n.
La présente invention vise également un récepteur radio comprenant un microcontrôleur configuré pour mettre en œuvre le procédé tel que brièvement décrit cidessus.
La présente invention vise aussi un véhicule automobile comprenant un récepteur radio tel que brièvement décrit ci-dessus.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et se référant au dessin annexé qui représente à la figure 1, le schéma de principe d’un procédé d’annulation de signaux radio « multipath >>.
Le procédé d’adaptation d’un signal radio FM selon l’invention est présenté en vue d’une mise en œuvre, principalement, dans un récepteur radio d’un système multimédia embarqué dans un véhicule automobile. Cependant, la mise en œuvre de la présente invention dans tout autre domaine technique, en particulier dans tout type de récepteur radio FM, est également visée.
La présente invention propose l’introduction d’un modèle adaptatif temporel pour tenir compte de la corrélation temporelle qui existe, du point de vue physique, entre les signaux radio FM « multipath >> reçus par l’antenne du récepteur radio considéré.
Il est connu, dans un autre domaine technique, relatif aux radars, d’utiliser un modèle adaptatif temporel pour combiner des signaux reçus par une antenne radar. Les techniques mises en œuvre dans le domaine des radars ne sont cependant par transposables en l’état au domaine de la réception radio FM.
Le modèle adaptatif temporel mis en œuvre dans le monde des radars repose en effet sur la mise en œuvre d’un filtre à réponse impulsionnelle apte à appliquer au vecteur de signaux complexes reçus un vecteur de poids complexes s’écrivant :
exp(J27tFd0T) exp(j2xFdÎT)
Wn= exp(j2jiFd(K-Î)T)
Ce modèle ne permet pas la suppression des signaux « multipath » dans le domaine de la réception radio FM car chaque trajet suivi par chacun des signaux « multipath >> reçus, décalés temporellement, présentent, dans le cas d’un signal radio FM, un gain propre, dépendant de la distance parcourue par l’onde radio, ladite distance n’étant pas une fonction linéaire liée à la fréquence, contrairement au cas de la réception radar.
Selon l’invention, les poids complexes du modèle adaptatif temporel sont ainsi posés en coordonnées polaires, de façon à introduire dans le système une forte corrélation temporelle entre lesdits poids complexes, tout en tenant compte du gain respectif de chacun des signaux « multipath >> reçus. Le vecteur de poids complexes, constitutif d’un filtre adaptatif à appliquer au signal radio reçu, s’écrit par conséquent :
g0 exp(j6»0) gi exp(j^)
Wn = gK-i expCj^)
Dès lors, selon l’invention, un algorithme itératif est mis en œuvre pour déterminer les valeurs gk et dk aptes à minimiser la fonction de coût suivante :
JcMA = E{(\zn\2-R2)2} où H est une constante à déterminer, correspondant au module de l’enveloppe du signal radio FM, pouvant par exemple être obtenue en moyennant la puissance du signal reçu combiné.
Le calcul du gradient instantané de cette fonction de coût mène à :
VJCMA = 2(\zn\2 - R2)V\zn\2 = 2(|zn|2 — ff2)V(znzn) = 2(\zn\2 - R2)(znVzn + znVzn)
De façon différente à l’état de l’art, le modèle des signaux radio FM reçus s’écrit alors :
K- 1
Zn = Wn Yn=^ Wÿkfy/n-k) k=0
K- 1 =Σ fc=0
0(&)θχρ U0(fc))y(n-fc) où K est le nombre de poids complexes, c’est-à-dire le nombre de coefficients du filtre adaptatif à appliquer au signal radio reçu.
Par conséquent, l’écriture du gradient instantané permet d’obtenir :
Figure FR3067186A1_D0005
exp(j&n) ° Yn j Gn° exp(/0n) ° : exp(—/0η)°Κη divn [-j Gn° exp(-;0n) ° Yn où Gn est un vecteur composé des gains complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant η, Θη est le vecteur composé des retards complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n, et l’opérateur « ° >> est défini comme réalisant la multiplication de deux 20 vecteurs, composante par composante, la résultante étant un vecteur.
Il en découle l’expression suivante du gradient de la fonction de coût :
J CMA — 2(|zn
-R2)
Re[znexp(j0n)° Yn]_
- 2 Im[ zn Gn° exp(/0n) ° Fn]
La mise à jour dans le temps des gains et phases de chacun des poids complexes à déterminer s’obtient par conséquent grâce aux formules suivantes :
Gn+ i = Gn~9g (\zn\2 - R2) Re[ Zn exp(/0n) ° îg ΘΠ+1 = + ùe (1¾ I2 - R2) Im[ zn Gn° exp(/0n) ° ÎQ où pg et μθ sont des pas itératifs choisis pour la mise à jour des gains et phases de chacun des poids complexes. Il est connu de l’homme du métier que plus les pas itératifs μ sont grands, plus la convergence des algorithmes est rapide, mais avec une 30 précision moindre. A l’inverse, pour des pas itératifs μ faibles, la convergence des algorithmes est lente, mais avec une plus grande précision. En pratique, le choix final de la valeur des pas itératifs μ se fait souvent sur le terrain, de façon empirique lors de campagnes d’essais.
Il découle de ces formules une forte interdépendance entre les parties réelles et imaginaires des poids complexes à déterminer.
La mise en œuvre d’algorithmes itératifs sur ces formules, en particulier d’algorithmes CMA, avec la contrainte de minimiser la fonction de coût exposée précédemment, converge ainsi plus efficacement que dans l’état de l’art. En effet, la corrélation temporelle introduite précédemment induit une interdépendance dans la mise à jour des coefficients, réduisant le nombre de degrés de liberté, à la différence des algorithmes CMA tels que mis en œuvre dans l’état de l’art, où les coefficients des poids complexes sont des cartésiens linéaires indépendants.
Grâce à l’invention, les algorithmes CMA convergent vers un sous-ensemble plus restreint de solutions, ledit sous-ensemble étant inclus dans l’ensemble des solutions possible des algorithmes CMA tels que mis en œuvre dans l’état de l’art.
La mise en œuvre du procédé selon l’invention, via un filtre à réponse impulsionnelle FIR, permet par conséquent la suppression des signaux secondaires produits par le phénomène de « multipath », avec une meilleure stabilité que dans l’état de la technique.
Il est précisé, en outre, que la présente invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, ayant recours à des algorithmes CMA, et est susceptible de variantes accessibles à l’homme de l’art. Notamment, d’autres types d’algorithmes itératifs peuvent tout à fait être mis en œuvre.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de réduction d’interférence multi-trajets, pour sa mise en œuvre dans un récepteur radio de véhicule, ledit récepteur radio étant destiné à recevoir un signal radio émis et comprenant une antenne de réception radio recevant une pluralité de signaux radio correspondant audit signal radio émis, ladite pluralité de signaux reçus par ladite antenne étant composés de signaux radio décalés temporellement, issus d’un phénomène de multi-trajets, ladite pluralité de signaux radio étant destinés à être combinés pour fournir un signal radio combiné zn à restituer, avec zn = w(Yn à l’instant n, où Yn est un vecteur dont les composantes correspondent à la pluralité de signaux reçus, exprimés en bande de base complexe, et Wn est un vecteur dont les composantes correspondent à des poids complexes destinés à être attribués respectivement à chacun des signaux radio de ladite pluralité de signaux radio reçus, pour former le signal radio combiné zn dans lequel un ensemble de signaux radio secondaires issus du phénomène de multi-trajets sont annulés, ledit procédé visant à déterminer lesdites composantes complexes dudit vecteur de poids complexes et comprenant les étapes suivantes :
    • Introduction d’une corrélation temporelle entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, ladite corrélation étant fonction du décalage temporel entre lesdits signaux de ladite pluralité de signaux radio reçus, au moyen de l’expression desdits poids complexes en coordonnées polaires, de sorte que goexp(j6»o) ^exp(j^)
    Wn = gK-i exp(j^_!) de façon à intégrer une interdépendance entre les parties réelles et imaginaires desdits poids complexes, et • Mise en œuvre d’un algorithme d’adaptation itératif pour déterminer g0, g±, gk_± et 0O, Θx, ek_± aptes à maintenir constant dans le temps le module de zn.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit algorithme d’adaptation itératif est un algorithme d’adaptation à module constant.
  3. 3. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant la détermination d’une constante R correspondant au module de l’enveloppe du signal radio modulé en fréquence émis, la mise en œuvre de l’algorithme d’adaptation itératif consistant en la détermination de Gn, Θη aptes à minimiser dans le temps la fonction de coût caractérisée par le gradient instantané suivant :
    2 ffe[znexp(/'0n)°yn]_
    - 2 Im[ zn Gn° exp(/0n) ° ï^] où Gn est un vecteur composé des gains complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant η, Θη est le vecteur composé des retards complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n et l’opérateur « ° >> est défini comme réalisant la multiplication de deux vecteurs, composante par composante, la résultante étant un vecteur.
  4. 4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les évolutions respectives de Gn et Θη dans le temps sont calculées au moyen des formules suivantes :
    Gn+ i = Gn-\^ (|zn|2 - R2) Re[ zn exp(/0n) ° ï^]
    Θη+1 = Θη + μθ (|zn|2 - R2) Im[ zn Gn° exp(/0n) ° Kn] où Gn est un vecteur composé des gains complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n, et où Θη est le vecteur composé des retards complexes de chacun des poids complexes du vecteur de poids complexes à l’instant n, et où μδ et μθ sont des pas itératifs choisis pour la mise à jour des gains et phases de chacun des poids complexes et où l’opérateur « ° >> est défini comme réalisant la multiplication de deux vecteurs, composante par composante, la résultante étant un vecteur.
  5. 5. Récepteur radio comprenant un microcontrôleur configuré pour mettre en oeuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  6. 6. Véhicule automobile comprenant un récepteur radio selon la revendication précédente.
FR1754861A 2017-06-01 2017-06-01 Procede de suppression de signaux multi-trajets pour recepteur de signaux radio modules en frequence Active FR3067186B1 (fr)

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