FR3069122A1 - Emission / reception d'un signal ofdm sur un canal de transmission bifilaire electrique d'un aeronef - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne l'émission / réception d'un signal OFDM sur un canal de transmission bifilaire électrique d'un aéronef. En particulier, elle concerne un procédé d'émission d'un signal, par un émetteur à destination d'un récepteur connecté par un canal de transmission bifilaire électrique d'un aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes : - une étape d'encodage de données sources ; - une étape de modulation OFDM des données sources encodées de manière à obtenir un signal OFDM ; - une étape d'émission du signal OFDM sur un canal de transmission CPL ; l'étape de modulation comprenant une sous-étape de mapping des données sources encodées sur des symboles complexes appartenant à une constellation constante ; l'étape d'émission du signal OFDM comprenant une sous-étape de conversion numérique-analogique du signal OFDM modulé et une sous-étape de couplage du signal OFDM analogique au canal de transmission bifilaire électrique
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L’invention concerne la transmission de données sur courant porteur en ligne dans les aéronefs.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les systèmes embarqués électriques à bord des aéronefs se font de plus en plus nombreux au profit des systèmes hydrauliques, pneumatiques et mécaniques. Ces nouveaux systèmes électriques nécessitent un besoin en câblage important.
Aussi, il convient d’optimiser ces masses et volumes de câbles embarqués.
Une solution est de transmettre l’information à bord des aéronefs en utilisant des câbles d’alimentation électrique. De cette façon, la masse et le volume des câbles servant uniquement à la transmission de l’information seraient épargnés.
La solution proposée est l’utilisation de la technologie des courants porteurs en ligne (CPL) qui se base sur une couche physique qui permet une bonne adaptation au canal de propagation.
Le CPL est une technologie qui permet de transmettre des données numériques sur le réseau électrique existant. En particulier dans le domestique, il s’agit de superposer au signal électrique de 50 Hz un autre signal à plus haute fréquence et de faible énergie. Cette technologie est apparue à la fin des années 90.
Le CPL est avantageusement utilisé dans des applications dites « intérieurs » (en anglais, « indoor») et sont basées, entre autres, sur le standard HOMEPLUG qui a vu le jour au début des années 2000. Un tel standard met en œuvre une modulation ODFM (en anglais, « Orthogonal Frequency Division Multiplexing »).
Toutefois, le standard HOMEPLUG n’est pas directement transposable à une utilisation au sein des aéronefs du fait des contraintes aéronautiques suivantes :
le débit doit être élevé et constant de l’ordre de quelques Mbps ;
la fiabilité de transmission doit être élevée de l’ordre d’un BER-10-12 ;
la transmission doit être robuste aux agressions aéronautiques : les échanges de données doivent être déterministes ;
la latence de transmission doit être bornée et faible (de l’ordre de quelques centaines de ps) ;
le nombre de bits envoyés par trame doit être faible (de l’ordre de la centaine de bits).
En effet, le standard HOMEPLUG définit une configuration de la chaîne algorithmique qui permet de générer des trames bien trop longues pour les besoins des systèmes aéronautiques. De plus, la méthode d’accès au canal définit dans ce standard (CSMA-CA) ainsi que l’algorithme de décodage itératif choisi (Turbo décodage) du fait de sa latence non maîtrisée ne permet pas un déterminisme des échanges. Enfin, les puissances d’émissions du signal de données générés dans HOMEPLUG ne sont pas soumises à des contraintes aussi sévères que celles de l’aéronautiques.
PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients.
A cet effet, l’invention propose un procédé d’émission d’un signal, par un émetteur à destination d’un récepteur connecté par un canal de transmission bifilaire électrique d’un aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- une étape d’encodage de données sources ;
- une étape de modulation OFDM des données sources encodées de manière à obtenir un signal OFDM ;
- une étape d’émission du signal OFDM sur un canal de transmission CPL ;
l’étape de modulation comprenant une sous-étape de mapping des données sources encodées sur des symboles complexes appartenant à une constellation constante ;
l’étape d’émission du signal OFDM comprenant une sous-étape de conversion numérique-analogique du signal OFDM modulé et une sous-étape de couplage du signal OFDM analogique au canal de transmission bifilaire électrique
L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : l’étape de modulation comprend une sous-étape de détermination de la Transformée de Fourier inverse des symboles de manière à moduler sur une pluralité de porteuses les symboles complexes, le nombre de points de la Transformée de Fourier étant compris entre 32 et 4096 ;
l’étape de modulation comprend une sous-étape d’ajout d’un préfixe cyclique au signal généré en sortie de transformée de Fourier inverse de manière à obtenir un symbole OFDM, le préfixe cyclique étant de durée comprise entre 0,5ps et 1ps ;
l’étape d’encodage est mis en œuvre au moyen d’un codage de ReedSolomon suivi d’un codage convolutif ;
l’étape de modulation comprend une sous-étape d’ajout d’un préambule de synchronisation et de symboles d’apprentissage devant la série de symboles OFDM de manière à obtenir une trame OFDM, la durée du préambule étant comprise entre 0,5ps et 1ps typiquement 0,85ps, le contenu fréquentiel des symboles d’apprentissage étant maîtrisé.
L’invention concerne également un émetteur d’un signal à destination d’un récepteur par un canal de transmission bifilaire électrique reliant l’émetteur audit récepteur, l’émetteur étant configuré pour mettre en œuvre un procédé d’émission selon l’une des revendications précédentes.
PRESENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 illustre une chaîne d’émission/réception d’un signal OFDM.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En relation avec la figure 1, une chaîne de transmission CPL est illustrée.
Une telle chaîne comprend :
un émetteur E à l’émission comprenant : une unité 1 d’encodage des données sources configurées pour encoder (étape E1) les données sources, une unité 2 de modulation OFDM configurée pour obtenir (étape E2) un signal OFDM, une unité 3 de conversion du signal OFDM configurée pour émettre (étape E3) le signal OFDM sur un canal C de transmission bifilaire électrique d’un aéronef ;
un récepteur R à la réception comprenant : une unité 4 de réception du signal OFDM configurée pour recevoir (étape E4) le signal OFDM transporté par le canal C, une unité 5 de démodulation OFDM configurée pour démoduler (étape E5) le signal OFDM reçu, une unité 6 de décodage du signal démodulé configuré pour décoder (étape E6) le signal démodulé afin de retrouver les données sources émises.
Le canal C de transmission est une paire torsadée non blindée d’alimentation qui permet de transmettre le signal OFDM en mode différentiel.
Encodage des données (étape E1) / Décodage des données (étape E6)
L’encodage E1 des données comprend les sous-étapes suivantes E11, E12, E13.
Une suite de données sources est embrouillée E11 afin de conférer un caractère pseudo-aléatoire à la suite de données sources pour éviter les longues suites de Ό’ et de Ί’ qui provoqueraient des raies fréquentielles dans le spectre du signal OFDM.
Ces données embrouillées sont ensuite encodées E12 de préférence au moyen d’un codage de Reed-Solomon suivi d’un codage convolutif. Un tel encodage permet de répondre aux contraintes de latences contrôlées et permet d’avoir une grande fiabilité de transmission car la succession d’un codage en bloc (Reed Solomon) et d’un codage convolutif permet de corriger différents types d’erreurs. Les latences sont contrôlées car ces deux codages n’impliquent pas un décodage de type itératif.
De cette façon, à la réception, le décodage (étape E6) permet de corriger certaines erreurs apparues pendant la transmission du signal dans la limite du pouvoir correctif de l’algorithme de codage canal implémenté.
Les paramètres du codage de Reed Solomon sont choisis en fonction des tailles de trames générées par les protocoles de communication des systèmes aéronautiques.
Le rendement du code Reed Solomon est directement lié aux paramètres du codage Reed Solomon et à une longueur de contrainte déterminée de manière à obtenir un compromis entre fiabilité de transmission et débit utile.
En outre, les algorithmes de codage choisis assurent d’avoir un comportement non itératif de la fonction de décodage (étape E6) afin d’assurer le déterminisme des transmissions.
Une fois encodées, les données sont entrelacées E13 c’est-à-dire qu’elles sont reparties sur plusieurs symboles OFDM de manière à ce qu’un paquet d’erreurs successives puisse être décomposé en plusieurs erreurs singulières ce qui rend la correction plus aisée.
Le décodage E6 comprend avantageusement les sous-étapes de désentrelacement E61, de décodage E62 puis de désembrouillage E63. II s’agit des opérations inverses à celles effectuées au cours du codage E1.
Modulation OFDM (étape E2) / Démodulation OFDM (étape E5)
La modulation OFDM débute par un « mapping » des données issues de l’encodeur sur des symboles complexes appartenant à une constellation constante.
Une telle constance dans le choix de la constellation permet d’assurer un débit constant et un déterminisme des échanges des données (ce qui est important en aéronautique).
En effet, la fonction de bit loading (modification de de la constellation au cours de l’émission) spécifiée par le standard HOMEPLUG permet d’augmenter ou diminuer le débit d’information sur chaque fréquence porteuse, ce qui ne garantit pas un déterminisme des échanges.
Le choix de la constellation constante est tel qu’il présente le meilleur compromis fiabilité de transmission vs débit pour des tailles des trames de l’ordre de la centaine de bits.
La modulation par changement de phase (en anglais, « Phase Shift Keying » (PSK)), de préférence QPSK (en anglais, « Quadrature Phase Shift Keying ») qui est une modulation PSK d’indice 2.
Ensuite on détermine E22, E23 la transformée de Fourier inverse des symboles complexes de manière à moduler sur une pluralité de porteuses les symboles complexes, le nombre de points de la Transformée de Fourier étant compris entre 32 et 4096 suivant le besoin en taille des trames échangées par les systèmes aéronautiques.
Le choix du nombre de points FFT est tel qu’il présente le meilleur compromis latence vs débit pour les performances requises par les applications aéronautiques non critiques.
La transformée de Fourier peut nécessiter d’abord d’ajouter E22 des « zéros » (en anglais, « zéro padding ») afin d’éteindre certaines fréquences porteuses, puis de procéder au calcul E23 en tant que tel de la transformée de Fourier inverse.
Puis, on ajoute E23 un préfixe cyclique au signal temporel généré en sortie de transformée de Fourier inverse de manière à obtenir un symbole OFDM, le préfixe cyclique étant de durée comprise entre 0,5ps et 1 ps, (cette durée correspond typiquement à 4 fois l’étalement des retards moyens (0,2ps) mesurés sur des canaux aéronautiques).
Enfin, ajoute E24 un préambule de synchronisation et des symboles d’apprentissage devant la série de symboles OFDM de manière à obtenir une trame OFDM, la durée du préambule étant comprise entre 0,5ps et 1 ps, typiquement 0.85ps, le contenu fréquentiel des symboles d’apprentissage étant maîtrisé.
A la réception, la démodulation E5 comprend d’abord une étape E51 de synchronisation temporelle.
La synchronisation temporelle permet la détection d’une trame transmise sur le canal au niveau du récepteur.
Comme inséré au cours de la modulation E4, un préambule, à la taille et au contenu fréquentiel maîtrisé, compose l’en-tête de chaque trame transmise. L’opération de détection de la trame se fait par le biais d’une fonction d’autocorrélation entre le préambule, connu du récepteur, et la trame reçue. Le résultat de l’opération d’auto-corrélation génère un pic qui marque la présence de la trame au niveau de l’entrée du récepteur.
Après cette synchronisation, le préfixe cyclique est supprimé E52, et la transformée de Fourier E53 du signal est effectuée.
Sur le signal fréquentiel obtenu, les étapes d’estimation E54 du canal et d’égalisation E55 sont mises en œuvre successivement.
L’estimation du canal (ou synchronisation fréquentielle) permet d’estimer et de compenser les effets néfastes causés par le canal de propagation sur le signal transmis. Parmi ces effets néfastes, le signal transmis est notamment impacté par un déphasage résultant de différents déphasages, à savoir un déphasage induit par une dérive de l’horloge de l’émetteur par rapport à celle du récepteur et d’un déphasage induit par la composition même du canal : électronique du module de couplage et lien physique.
Cette estimation est possible grâce à l’insertion des symboles d’apprentissage constants en fin de chaîne d’émission qui permet la mise à jour à chaque trame des coefficients de la fonction de transfert du canal.
L’égalisation E55 des symboles OFDM reçus est effectuée par les coefficients de la fonction de transfert estimée et réactualisée à chaque trame reçue.
Ensuite, on effectue E56 l’opération inverse au « mapping » pour obtenir à nouveau une suite de données binaires.
Emission (étape E3) ! Réception (étape E4) du signal OFDM sur le canal de transmission CPL
L’émission comprend une conversion E31 numérique analogique pour obtenir le signal OFDM à transmettre.
Le signal analogique est alors transmis à un module de couplage pour coupler E32 le signal OFDM au canal de transmission CPL.
Un tel module de couplage effectue les opérations suivantes.
II injecte le signal de données en mode différentiel sur une ligne bifilaire torsadée tout en assurant la distribution de puissance en mode commun sur cette même ligne.
II réalise une adaptation d’impédance entre l’émetteur et la ligne bifilaire torsadée.
II réalise un minimum d’atténuation sur les fréquences de fonctionnement de la technologie CPL.
A cet effet, le module de couplage comprend :
un filtre passe bas sur la ligne d’alimentation électrique ;
un filtre passe haut pour protéger le modem CPL de la tension d’alimentation de la ligne ;
un dispositif de protection contre les effets indirects de la foudre ;
un étage de conversion d’alimentation pour alimenter le récepteur ou l’émetteur à partir de la tension d’alimentation de la ligne.
Le module de couplage répond aux contraintes suivantes :
II ne provoque qu’un minimum d’atténuation sur les fréquences de fonctionnement de la technologie CPL ;
II permet une adaptation d’impédance entre la sortie du convertisseur numérique/analogique et la ligne de puissance ;
II permet de minimiser la conversion de mode du courant de mode différentiel vers un courant de mode commun, ceci afin de respecter les gabarits de la section 21 cat. M de la DO-160.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Procédé d’émission d’un signal, par un émetteur (E) à destination d’un récepteur (R) connecté par un canal de transmission bifilaire électrique d’un aéronef, le procédé comprenant les étapes suivantes :- une étape (E1) d’encodage de données sources ;- une étape (E2) de modulation OFDM des données sources encodées de manière à obtenir un signal OFDM ;- une étape (E3) d’émission du signal OFDM sur un canal de transmission CPL ;l’étape (E2) de modulation comprenant une sous-étape (E21) de mapping des données sources encodées sur des symboles complexes appartenant à une constellation constante ;l’étape (E3) d’émission du signal OFDM comprenant une sous-étape (E31) de conversion numérique-analogique du signal OFDM modulé et une sous-étape (E32) de couplage du signal OFDM analogique au canal de transmission bifilaire électrique
- 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape (E2) de modulation comprend une sous-étape (E22, E23) de détermination de la Transformée de Fourier inverse des symboles de manière à moduler sur une pluralité de porteuses les symboles complexes, le nombre de points de la Transformée de Fourier étant compris entre 32 et 4096.
- 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape (E2) de modulation comprend une sous-étape (E23) d’ajout d’un préfixe cyclique au signal généré en sortie de transformée de Fourier inverse de manière à obtenir un symbole OFDM, le préfixe cyclique étant de durée comprise entre 0,5ps et 1ps.
- 4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape (E1) d’encodage est mis en œuvre au moyen d’un codage de Reed-Solomon suivi d’un codage convolutif.
- 5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape (E2) de modulation comprend une sous-étape (E24) d’ajout d’un préambule de synchronisation et de symboles d’apprentissage devant la série de symboles OFDM de manière à obtenir une trame OFDM, la durée du préambule étant comprise entre5 0,5ps et 1ps typiquement 0,85ps, le contenu fréquentiel des symboles d’apprentissage étant maîtrisé.
- 6. Emetteur d’un signal à destination d’un récepteur par un canal de transmission bifilaire électrique reliant l’émetteur audit récepteur, l’émetteur étant configuré pour
- 10 mettre en œuvre un procédé d’émission selon l’une des revendications précédentes.
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