FR3097059A1 - Procédé et dispositif pour l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé (100) d’estimation, par un dispositif récepteur (12), d’un instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur (11). Le procédé comporte les étapes suivantes : un échantillonnage (101) du signal reçu, un calcul (102), pour chaque échantillon, d’une valeur de corrélation, une détection (103) d’un pic (30) de corrélation, une mesure (104) d’une largeur (45, 55) dudit pic de corrélation, ladite largeur étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon (41, 51) pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil (S1) prédéterminé et un deuxième échantillon (42, 52) pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil (S2) prédéterminé, une estimation (105) de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic de corrélation et en fonction de la largeur dudit pic de corrélation. Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Procédé et dispositif pour l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message
Domaine de l’invention
La présente invention appartient au domaine de la géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil. Plus particulièrement, l’invention concerne un procédé et un dispositif pour l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message émis par un émetteur.
Etat de la technique
La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans les systèmes de géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil.
Un tel dispositif émetteur peut par exemple correspondre à une étiquette connectée collée sur un objet dans une zone industrielle (par exemple un paquet ou un équipement stocké dans un hangar). L’étiquette comporte par exemple une puce électronique et une antenne afin d’émettre un signal radio à destination de dispositifs récepteurs, appelés « balises », positionnés dans ladite zone industrielle. Le signal radio émis à destination des balises transporte par exemple un message correspondant à un identifiant de l’étiquette.
Chaque balise qui reçoit le message émis par l’étiquette estime alors un instant d’arrivée du message. Par des méthodes dites de « différences des temps d’arrivée » (« Time Difference Of Arrival » ou TDOA dans la littérature anglo-saxonne), un serveur qui collecte l’ensemble des temps d’arrivée estimés par les différentes balises, et qui connaît les positions géographiques desdites balises, est alors capable d’estimer la position géographique de l’étiquette.
La précision de l’estimation de la position géographique de l’étiquette dépend de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message par chaque balise.
Il est connu d’encoder un message sous la forme d’une séquence de bits et de moduler chaque bit à transmettre avec un code pseudo-aléatoire. Cette modulation du signal à émettre avec un signal pseudo-aléatoire de fréquence plus élevée est connue sous le nom d’étalement de spectre à séquence directe (« Direct-Sequence Spread Spectrum » ou DSSS dans la littérature anglo-saxonne).
Pour décoder un message reçu en provenance d’une étiquette, une balise peut procéder à un échantillonnage du signal reçu et calculer des valeurs de corrélation du signal reçu avec un signal de référence à partir des échantillons du signal. Une valeur de corrélation peut notamment être calculée pour chaque échantillon.
Un pic de corrélation dont la valeur est supérieure à un seuil prédéterminé peut correspondre à la détection d’un message. Il est alors possible d’estimer l’instant d’arrivée du message en fonction du pic de corrélation. L’instant d’arrivée du message est par exemple estimé comme étant l’instant de l’échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du seuil, ou bien l’instant de l’échantillon pour lequel une valeur maximale de corrélation est atteinte avant de repasser sous le seuil.
La précision de l’estimation d’un instant d’arrivée d’un message dépend alors de la fréquence d’échantillonnage du signal reçu : plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, et plus la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée est grande. Cependant, l’augmentation de la fréquence d’échantillonnage est nécessairement limitée, que ce soit pour des raisons de coût, de consommation énergétique, voire encore de contraintes technologiques.
La précision de l’estimation d’un instant d’arrivée d’un message dépend également de la qualité avec laquelle le signal est reçu, notamment en termes de rapport signal sur bruit (« Signal-to-Noise Ratio » ou SNR dans la littérature anglo-saxonne).
Il apparaît que les solutions connues de l’art antérieur pour mettre en œuvre un tel système de géolocalisation sont encore perfectibles pour ce qui concerne la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message.
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant.
A cet effet, et selon un premier aspect, il est proposé par la présente invention, un procédé d’estimation, par un dispositif récepteur, de l’instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur. Ledit message comporte une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles. Le procédé comporte les étapes suivantes :
  • un échantillonnage du signal reçu,
  • un calcul, pour chaque échantillon obtenu, d’une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative dudit code,
  • une détection d’un pic de corrélation présentant une valeur de corrélation supérieure à un seuil de corrélation prédéterminé,
  • une mesure d’une largeur dudit pic de corrélation, ladite largeur étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil prédéterminé et un deuxième échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil prédéterminé,
  • une estimation de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic de corrélation et en fonction de la largeur dudit pic de détection.
L’expérience montre en effet que plus le rapport signal sur bruit est faible pour le signal transportant le message émis par le dispositif émetteur, plus la largeur du pic de corrélation correspondant au début du message est petite, et plus l’erreur sur l’instant de détection dudit pic de corrélation est grande. Il est possible de définir une correction à appliquer sur l’instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur mesurée pour ledit pic de corrélation. L’instant d’arrivée du message peut alors être estimé comme étant l’instant corrigé de détection du pic de corrélation.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, l’invention peut comporter en outre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le premier seuil et le deuxième seuil ont la même valeur.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le premier seuil et le deuxième seuil ont des valeurs différentes.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le premier seuil correspond au seuil de corrélation et le deuxième seuil correspond à un niveau moyen de bruit de corrélation.
Différentes méthodes peuvent être envisagées pour définir un niveau moyen de bruit de corrélation. Par exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur moyenne calculée à partir d’un ensemble de valeurs de corrélation obtenues pendant une fenêtre temporelle de durée prédéterminée. Dans un tel cas, le niveau moyen de bruit de corrélation peut varier au cours du temps. Selon un autre exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur fixe prédéterminée calculée pendant une phase de calibration.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé comporte en outre une phase de calibration préalable pendant laquelle des valeurs de correction à appliquer à l’instant de détection d’un pic de corrélation sont déterminées en fonction de différentes largeurs dudit pic de corrélation.
La phase de calibration permet ainsi d’obtenir une table comprenant des valeurs de correction à appliquer pour différentes largeurs de pic de corrélation. Il est alors possible de déterminer, par exemple par des méthodes de régression linéaire ou polynomiale, une valeur de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur dudit pic de corrélation.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le signal radioélectrique est un signal ultra large bande.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le signal ultra large bande est modulé avec une modulation de type « tout ou rien ».
Selon un deuxième aspect, la présente invention concerne un dispositif récepteur mettant en œuvre un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur. Ledit message comporte une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles. Le dispositif récepteur est configuré pour :
  • échantillonner le signal reçu,
  • calculer, pour chaque échantillon obtenu, une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative du code,
  • détecter un pic de corrélation présentant une valeur de corrélation supérieure à un seuil de corrélation prédéterminé,
  • mesurer une largeur dudit pic de corrélation, ladite largeur étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil prédéterminé et un deuxième échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil prédéterminé,
  • estimer l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic de corrélation et en fonction de la largeur dudit pic de détection.
Présentation des figures
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple nullement limitatif, et faite en se référant aux figures 1 à 8 qui représentent :
une représentation schématique d’un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur,
une représentation schématique d’un code utilisé pour encoder un bit d’une séquence de bits à émettre, ainsi que le signal associé,
une représentation schématique d’un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur à partir d’un signal transportant une séquence de bits émise par un dispositif émetteur,
une représentation schématique d’un pic de corrélation pour un signal de corrélation tel que celui décrit à la figure 3,
une illustration schématique de l’impact de la valeur du rapport signal sur bruit sur la largeur d’un pic de corrélation et sur la précision de l’instant de détection du pic de corrélation,
une représentation schématique des principales étapes d’un procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention,
une illustration schématique d’un mode particulier de mise en œuvre du procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention,
une illustration schématique d’un mode de mise en œuvre d’une phase de calibration pour le procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention.
Dans ces figures, des références identiques d’une figure à une autre désignent des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas nécessairement à une même échelle, sauf mention contraire.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Tel qu’indiqué précédemment, la présente invention vise à proposer une solution permettant d’optimiser l’estimation de l’instant d’arrivée d’un message au niveau d’un dispositif récepteur.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas d’un système de géolocalisation d’un dispositif émetteur d’un système de communication sans fil. Rien n’empêche cependant que l’invention trouve une application dans un autre domaine.
La figure 1 représente schématiquement un tel système 10 de géolocalisation. Le système 10 de géolocalisation comporte au moins un dispositif émetteur 11, une pluralité de dispositifs récepteurs 12, ainsi qu’un serveur 13 relié aux différents dispositifs récepteurs.
Un message est émis par un dispositif émetteur 11 à destination de chaque dispositif récepteur 12 sous la forme d’un signal radioélectrique véhiculé sur un lien 14 de communication sans fil. Par « signal radioélectrique », ou « signal radio », on entend une onde électromagnétique se propageant via des moyens non filaires, dont les fréquences sont comprises dans le spectre traditionnel des ondes radioélectriques (quelques hertz à plusieurs centaines de gigahertz).
Le dispositif émetteur 11 comporte des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l’homme de l’art, permettant au dispositif émetteur 11 d’émettre des messages sous la forme de signaux radioélectriques à destination des dispositifs récepteurs 12 du système 10 de géolocalisation. De tels moyens peuvent notamment comporter un processeur, un oscillateur local, des filtres analogiques et/ou numériques, un convertisseur numérique/analogique, un amplificateur de puissance, une antenne, etc.
De manière similaire, le dispositif récepteur 12 comporte des moyens de communication sans fil, considérés comme connus de l’homme de l’art, permettant au dispositif récepteur 12 de recevoir un message en provenance d’un dispositif émetteur 11 sous la forme de signaux radioélectriques. De tels moyens peuvent notamment comporter un processeur, un oscillateur local, des filtres analogiques et/ou numériques, un convertisseur analogique/numérique, un amplificateur faible bruit, une antenne, un échantillonneur, un corrélateur, un démodulateur, etc.
Un lien 15 de communication entre un dispositif récepteur 12 et le serveur 13 peut être un lien de communication filaire ou un lien de communication sans fil.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où un dispositif émetteur 11 du système 10 de géolocalisation est une étiquette connectée collée sur un objet (par exemple un paquet, un équipement, un outil, etc.) dans une zone industrielle (par exemple un hangar). L’étiquette connectée comporte par exemple une puce électronique, une antenne, et une batterie qui se recharge à partir de l’énergie provenant de champs électromagnétiques environnants, pour émettre un signal radio à destination de dispositifs récepteurs 12, dits « balises », positionnées à l’intérieur de ladite zone industrielle. Dans des modes particuliers de réalisation, les champs électromagnétiques permettant de recharger la batterie de l’étiquette sont générés par les balises elles-mêmes.
Le signal radio émis à destination des balises transporte par exemple un message correspondant à un identifiant de l’étiquette. Chaque balise qui reçoit le message émis par l’étiquette estime un instant d’arrivée du message. Le serveur 13 collecte l’ensemble des temps d’arrivée estimés par les différentes balises. En outre, le serveur 13 connaît les positions géographiques desdites balises. Par des méthodes dites de « différences des temps d’arrivée » (« Time Difference Of Arrival » ou TDOA dans la littérature anglo-saxonne), le serveur 13 est alors capable d’estimer la position géographique de l’étiquette. La précision de l’estimation de la position géographique de l’étiquette dépend de la précision de l’estimation de l’instant d’arrivée du message par chaque balise.
Les différentes balises peuvent être synchronisées entre elles de telle sorte qu’elles sont capables d’horodater l’instant d’arrivée d’un message selon une base de temps commune. Selon un autre exemple, une dérive éventuelle d’une horloge d’une balise peut être corrigée par le serveur 13, de manière connue pour un homme du métier, à partir de signaux de référence échangés entre les différentes balises, horodatés par les balises, puis transmis au serveur 13 de géolocalisation.
Dans la suite de la description, on se place de manière non limitative dans le cas où le signal radio transmis par une étiquette du système 10 de géolocalisation est un signal ultra large bande. Par «ultra large bande » (« Ultra Wide Band », encore désigné par l’acronyme UWB, dans la littérature anglo-saxonne), on fait référence à des signaux radioélectriques présentant un spectre fréquentiel supérieur à 500 mégahertz à -10 dB par rapport à la puissance maximale dudit spectre fréquentiel instantané, ou bien des signaux radioélectriques présentant un rapport largeur de bande sur fréquence centrale de 20 % ou plus.
Un signal UWB présente généralement des impulsions radio très courtes de l’ordre de la nanoseconde ou de quelques nanosecondes. La durée très faible de ces impulsions radio a pour conséquence que le signal UWB présente une bande passante très large avec une densité spectrale de puissance relativement faible. En raison de cette densité spectrale de puissance relativement faible, les signaux UWB peuvent partager le spectre radio avec des signaux radio d’autres systèmes de communication à bande plus étroite sans causer de problèmes d’interférence.
En outre, un signal UWB est relativement peu sensible au phénomène d’atténuation dû aux trajets multiples empruntés par une onde radio. Un signal UWB peut par conséquent fournir de bonnes résolutions spatiales et temporelles. En raison de sa durée très courte, une impulsion présente des fronts montant et descendant très rapides, ce qui permet de déterminer, au niveau d’un dispositif récepteur du signal UWB, un temps d’arrivée très précis d’une impulsion. Il est en outre possible de distinguer assez nettement le trajet le plus court des autres trajets empruntés par l’onde radio. Tout ceci concourt à optimiser une estimation de la position géographique d’un dispositif émettant un signal UWB à partir de l’instant d’arrivée dudit signal.
La figure 2 représente schématiquement, et à titre d’exemple nullement limitatif, comment un signal UWB peut transporter, de manière conventionnelle, un bit d’un message.
Dans l’exemple illustré à la figure 2, un code pseudo-aléatoire (« Pseudo-Noise Code » ou PN Code dans la littérature anglo-saxonne) connu à la fois par le dispositif émetteur 11 et par les dispositifs récepteurs 12 est utilisé pour encoder chaque bit du message.
Le code comporte un nombre Nsde symboles 20 binaires ordonnés. Chaque symbole 20 binaire peut prendre deux états possibles : un état ou son état contraire. A titre d’exemple nullement limitatif, et tel qu’illustré sur la figure 2, un état d’un symbole 20 binaire est représenté par la valeur 1, et son état contraire est représenté par la valeur -1. Un symbole 20 binaire dans l’état représenté par la valeur 1 correspond par exemple à une présence d’une impulsion 21 sur le signal UWB. Un symbole 20 binaire dans l’état représenté par la valeur -1 correspond par exemple à une absence d’une impulsion 21 sur le signal UWB. On parle alors de modulation « tout ou rien » (« On Off Keying » ou OOK dans la littérature anglo-saxonne). La durée d’un symbole 20 binaire est noté Ts. La durée d’une impulsion 21 est notée Ti.
Tel qu’illustré sur la figure 2, chaque bit du message est modulé par le code. Un bit peut prendre la valeur 1 ou la valeur 0. Si le bit à émettre a pour valeur 1, alors il est encodé par les Nssymboles 20 binaires du code. Si le bit à émettre a pour valeur 0, alors il est encodé par les Nssymboles 20 binaires du code inverse. Un symbole 20 binaire d’un code inverse prend un état contraire à l’état du symbole 20 binaire de même rang du code non inverse respectif.
Tel qu’illustré sur la figure 2, une impulsion 21 du signal UWB correspond à une période de temps de durée Tipendant laquelle le signal est une porteuse sinusoïdale de fréquence fp, le signal étant nul le reste du temps.
Dans l’exemple considéré, le nombre Nsde symboles binaires est égal à 128 ; la fréquence porteuse fpa pour valeur 4 GHz ; la durée Tid’une impulsion 21 est de 2,5 ns ; la durée Tsd’un symbole binaire est de 160 ns, ce qui correspond à une fréquence fsd’émission de symboles binaires de 6,25 MHz. Le temps Tbpour émettre un bit est alors égal à Nsx Ts, soit 20,480 μs, ce qui correspond à une fréquence fbd’émission de bits d’environ 48,83 kbits/s.
Comme un dispositif récepteur 12 connaît le code utilisé par le dispositif émetteur 11 pour moduler les bits du message à émettre, le dispositif récepteur 12 peut, de manière conventionnelle, décoder un message émis par le dispositif émetteur 11 en échantillonnant l’enveloppe d’impulsions 21 du signal transportant ledit message et en faisant une corrélation entre les échantillons obtenus et des échantillons d’une séquence de référence représentative dudit code modulé par une enveloppe d’impulsions. Un échantillon prend par exemple la valeur 1 pour un instant d’échantillonnage compris dans une période Tid’une impulsion 21 ; un échantillon prend par exemple la valeur -1 pour un instant d’échantillonnage compris en dehors d’une période Tid’une impulsion 21.
La fréquence d’échantillonnage est notée fe. L’écart temporel entre deux échantillons est noté Te. Le nombre d’échantillons par symbole 20 binaire est noté Ne, ce nombre correspond au rapport entre la fréquence d’échantillonnage feet la fréquence fsd’émission de symboles binaires. Dans l’exemple considéré, la fréquence d’échantillonnage fevaut 1 Ghz et le nombre Ned’échantillons par symbole binaire vaut 160. La longueur de la séquence de référence est alors de 20 480 échantillons (128 x 160 = 20 480). La corrélation est réalisée sur une fenêtre glissante d’échantillons du signal reçu dont la longueur est égale à la longueur de la séquence de référence.
Il convient de noter qu’une valeur de 1 GHz pour la fréquence d’échantillonnage fen’est qu’un exemple. D’autres valeurs de fréquence d’échantillonnage peuvent être utilisées, comme par exemple un échantillonnage à 2 GHz, ce qui implique alors une séquence de référence de 40960 échantillons. Plus la fréquence d’échantillonnage feest grande, plus la détection d’un message est fiable, et plus la précision de l’instant d’arrivée dudit message est grande. D’après le théorème de Nyquist-Shannon, la fréquence d’échantillonnage fedoit, de manière conventionnelle, être au moins égale au double de la largeur spectrale du signal échantillonné.
La figure 3 représente schématiquement un signal de corrélation généré par un dispositif récepteur 12 à partir d’un signal transportant un message émis par un dispositif émetteur 11. Les valeurs de corrélation du signal sont représentées en ordonnée. Les instants d’échantillonnage sont représentés en abscisse. A un instant d’échantillonnage donné, plus le nombre d’échantillons de la fenêtre glissante identiques aux échantillons de la séquence de référence est grand, et plus la valeur de corrélation est grande. Une valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage donné est par exemple calculée en multipliant la valeur de chaque échantillon de la fenêtre glissante avec la valeur de l’échantillon correspondant de la séquence de référence, et en additionnant les résultats obtenus pour tous les échantillons de la fenêtre glissante.
Un pic 30 de corrélation est atteint lorsque la valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est supérieure à un seuil S de corrélation prédéterminé. Un pic 30 de corrélation correspond à la détection d’un bit de valeur 1. Un bit de valeur 0 peut être détecté lorsqu’une valeur de corrélation à un instant d’échantillonnage est négative avec une valeur absolue supérieure au seuil S. Alternativement, un bit de valeur 0 peut être détecté en faisant une corrélation des échantillons du signal reçu avec une séquence de référence représentative du code inverse.
Il convient de choisir un niveau du seuil S suffisamment élevé de sorte à éviter la détection de faux pics 31, 32 de corrélation. Il convient cependant aussi de choisir un niveau du seuil S suffisamment bas pour éviter de manquer une détection d’un pic 30 de corrélation (en sachant que le signal peut être perturbé par des interférences lors de sa transmission du dispositif émetteur 11 vers le dispositif récepteur 12 et que la valeur maximale possible de corrélation n’est par conséquent pas forcément atteinte pour chaque bit du message). Plus le nombre Nsd’échantillons du code est grand, et plus la détection d’un pic 30 de corrélation est aisée, car il est alors plus facile de discriminer un pic 30 de corrélation d’un faux pic 31, 32 de corrélation. Cependant, le fait d’augmenter la longueur Nsdu code a pour inconvénient d’allonger la durée d’émission d’un bit ainsi que la complexité des calculs de corrélation par le dispositif récepteur 12. Un autre inconvénient est que l’horloge de transmission doit être plus précise si la longueur Nsdu code est plus grande.
L’instant d’arrivée d’un bit au niveau du dispositif récepteur 12 est déterminé à partir de l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation. Cependant, comme d’une part le rapport entre la fréquence d’échantillonnage feet la fréquence fsd’émission de symboles 20 binaires n’est pas forcément une valeur entière, et comme d’autre part l’instant de réception du début d’un symbole 20 binaire n’est pas nécessairement aligné avec un instant d’échantillonnage, l’estimation de l’instant d’arrivée d’un bit peut présenter une erreur de précision égal à l’écart temporel Teentre deux échantillons.
La figure 4 représente schématiquement une vue détaillée d’un pic 30 de corrélation. Les valeurs de corrélation sont représentées en ordonnée, les instants d’échantillonnage sont représentés en abscisse. L’instant de détection d’un pic 30 de corrélation correspond par exemple à l’instant de l’échantillon 33 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du seuil S, ou bien l’instant de l’échantillon 34 pour lequel une valeur maximale de corrélation est atteinte sur une période 35 pendant laquelle les valeurs de corrélation sont supérieures au seuil S.
Dans la suite de la description, on se place à titre d’exemple et de manière nullement limitative dans le cas où l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation correspond à l’instant de l’échantillon 33 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du seuil S. Cela permet notamment de simplifier l’implémentation du dispositif récepteur 12 dans la mesure où il n’y a alors pas besoin de détecter et mémoriser une valeur maximale atteinte par le signal de corrélation. Une simple comparaison entre une valeur de corrélation et le seuil de corrélation est suffisante pour détecter un pic 30 de corrélation.
La précision sur l’instant de détection d’un pic 30 de corrélation dépend cependant du niveau de qualité du signal reçu, notamment en termes de rapport signal sur bruit (SNR).
La figure 5 illustre comment le rapport signal sur bruit du signal reçu impacte la précision sur l’instant de détection d’un pic de corrélation. La figure 5 représente deux signaux de corrélation. Un premier signal 40 de corrélation est obtenu en calculant des valeurs de corrélation à partir d’un signal radio reçu par un dispositif émetteur 11 situé à une position prédéterminée par rapport au dispositif récepteur 12 avec une première valeur de SNR. Un deuxième signal 50 de corrélation est obtenu en calculant des valeurs de corrélation à partir d’un signal radio reçu par le dispositif émetteur 11 situé à la même position par rapport au dispositif récepteur 12 mais avec une deuxième valeur de SNR inférieure à la première valeur de SNR. Par exemple, le dispositif émetteur 11 émet un premier message avec un premier niveau de puissance pour obtenir le premier signal 40 de corrélation, puis il émet un deuxième message avec un niveau de puissance plus faible pour obtenir le deuxième signal 50 de corrélation.
Il apparaît que l’instant de détection du pic de corrélation est en retard pour le deuxième signal 50 de corrélation par rapport au premier signal 40 de corrélation. En effet, l’instant de l’échantillon 51 pour lequel le deuxième signal 50 de corrélation passe au-dessus du seuil S est postérieur à l’instant de l’échantillon 41 pour lequel le premier signal 40 de corrélation passe au-dessus du seuil S.
Ainsi, l’instant d’arrivée d’un message émis par un dispositif émetteur 11 situé à une grande distance (par exemple 60 mètres) du dispositif récepteur 12 sera détecté avec un retard plus important par rapport à l’instant d’arrivée d’un message émis par un dispositif émetteur 11 situé à une petite distance (par exemple 10 mètres) du dispositif récepteur 12.
Le procédé d’estimation de l’instant d’arrivée d’un message selon l’invention permet de résoudre ce problème. La figure 6 représente schématiquement les principales étapes d’un tel procédé 100.
Tel que décrit précédemment en référence aux figures 2 à 4, le procédé 100 comporte notamment les étapes suivantes :
  • un échantillonnage 101 du signal reçu,
  • un calcul 102, pour chaque échantillon obtenu, d’une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative des symboles du code avec lequel chaque bit du message est modulé,
  • une détection 103 d’un pic 30 de corrélation présentant une valeur de corrélation supérieure à un seuil S de corrélation prédéterminé.
En outre, et tel qu’illustré sur la figure 6, le procédé 100 comporte également les étapes suivantes :
  • une mesure 104 d’une largeur du pic 30 de corrélation, ladite largeur, étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil S1prédéterminé et un deuxième échantillon pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil S2prédéterminé,
  • une estimation 105 de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic 30 de corrélation et en fonction de la largeur dudit pic 30 de détection.
Le procédé 100 est mis en œuvre par un dispositif récepteur 12. Dans ce but, le dispositif émetteur comporte par exemple un ou plusieurs processeurs et des moyens de mémorisation (disque dur magnétique, mémoire électronique, disque optique, etc.) dans lesquels est mémorisé un produit programme d’ordinateur, sous la forme d’un ensemble d’instructions de code de programme à exécuter pour mettre en œuvre les étapes d’un procédé d’estimation d’un instant d’arrivée d’un message. Alternativement ou en complément, le dispositif récepteur 12 comporte un ou des circuits logiques programmables (FPGA, PLD, etc.), et/ou un ou des circuits intégrés spécialisés (ASIC), et/ou un ensemble de composants électroniques discrets, etc., adaptés à mettre en œuvre tout ou partie desdites étapes.
En d’autres termes, le dispositif récepteur 12 comporte des moyens qui sont configurés de façon logicielle (produit programme d’ordinateur spécifique) et/ou matérielle (FPGA, PLD, ASIC, composants électroniques discrets, etc.) pour mettre en œuvre les étapes d’un procédé d’estimation d’un instant d’arrivée d’un message.
La figure 5 illustre un mode particulier de mise en œuvre du procédé 100 pour lequel le premier seuil S1et le deuxième seuil S2sont tous les deux égaux au seuil S de corrélation. La largeur 45 du pic de corrélation du premier signal 40 de corrélation est égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 41 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus seuil S et un deuxième échantillon 42 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous du seuil S. La largeur 55 du pic de corrélation du deuxième signal 50 de corrélation est égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 51 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus seuil S et un deuxième échantillon 52 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous seuil S.
La largeur 45 du pic de corrélation pour le premier signal 40 de corrélation pour lequel le SNR est élevé est plus grande que la largeur 55 du pic de corrélation pour le deuxième signal 50 de corrélation pour lequel le SNR est plus faible. En général, plus la valeur de SNR est élevée pour le signal transportant un message émis par un dispositif émetteur 11, et plus la largeur du pic de corrélation correspondant à l’instant d’arrivée du message est grande.
La figure 7 illustre un autre mode particulier de mise en œuvre du procédé 100 pour lequel le premier seuil S1et le deuxième seuil S2sont différents. Le premier seuil S1est par exemple égal au seuil S de corrélation, et le deuxième seuil S2correspond par exemple à un niveau moyen de bruit de corrélation. La largeur 45 du pic de corrélation du premier signal 40 de corrélation est alors égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 41 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du premier seuil S1et un deuxième échantillon 42 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous du deuxième seuil S2. La largeur 55 du pic de corrélation du deuxième signal 50 de corrélation est égale au nombre d’échantillons entre un premier échantillon 51 pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus du premier seuil S1et un deuxième échantillon 52 pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous du deuxième seuil S2.
Comme indiqué précédemment, différentes méthodes peuvent être envisagées pour définir un niveau moyen de bruit de corrélation. Par exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur moyenne calculée à partir d’un ensemble de valeurs de corrélation obtenues pendant une fenêtre temporelle de durée prédéterminée. Dans un tel cas, le niveau moyen de bruit de corrélation peut varier au cours du temps. Selon un autre exemple, un niveau moyen de bruit de corrélation peut correspondre à une valeur fixe prédéterminée calculée pendant une phase de calibration.
A l’étape 105 du procédé 100, l’instant d’arrivée du message est estimé par le dispositif récepteur 12 en fonction d’une part d’un instant de détection 41, 51 du pic de corrélation et en fonction d’autre part de la largeur 45, 55 dudit pic de détection.
Par exemple, il est possible de déterminer une valeur de correction à appliquer à l’instant de détection du pic de corrélation en fonction de la largeur dudit pic de corrélation. Plus la largeur du pic de corrélation est faible, et plus la valeur de correction à apporter sera grande. En effet, plus la largeur du pic de corrélation est faible, et plus le retard est important pour la détection du pic de corrélation.
Dans des modes particuliers de mise en œuvre, le procédé 100 selon l’invention peut comporter une phase de calibration préalable pendant laquelle des valeurs de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation sont déterminées en fonction de différentes largeurs du pic de corrélation.
La figure 8 illustre schématiquement comment une telle phase de calibration peut être mise en œuvre. Dans l’exemple considéré illustré à la figure 8, un dispositif émetteur 11 émet un message à un dispositif récepteur 12 sur un lien 14 de communication sans fil de type UWB. Le dispositif émetteur 11 et le dispositif récepteur 12 sont séparés l’un de l’autre d’une distance notée d. Le dispositif émetteur 11 et le dispositif récepteur 12 sont synchronisés l’un avec l’autre, c’est-à-dire qu’ils possèdent chacun une horloge ayant une base de temps commune. Le signal radio transportant le message émis par le dispositif émetteur 11 se déplace à la vitesse de la lumière notée c (c est environ égal à 299 792 458 m/s). Le temps de vol tvdu signal radio transportant le message émis par le dispositif émetteur 11 pour atteindre le dispositif récepteur 12 est alors égal à tv= d/c. En supposant que le dispositif récepteur 12 connaisse l’instant t0d’émission du message par le dispositif émetteur 11, le dispositif récepteur 12 peut alors déterminer l’instant d’arrivée théorique (t0+ tv) du message. En comparant l’instant d’arrivée théorique du message avec un instant d’arrivée estimé par le dispositif récepteur 12 en fonction d’un instant de détection d’un pic de corrélation, il est alors possible de déterminer une erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée.
Selon un premier exemple de mise en œuvre de la phase de calibration, le dispositif émetteur 11 reste toujours positionné à la même distance d du dispositif récepteur 12, et il émet plusieurs messages avec différents niveaux SNR de rapport signal sur bruit. Une erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée, ainsi que la largeur du pic de corrélation utilisé pour estimer cet instant d’arrivée, sont mesurés pour chaque message reçu. Comme expliqué précédemment, plus la valeur de SNR est faible, et plus la largeur du pic de corrélation est faible, et plus l’erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée est grande. On peut ainsi obtenir un ensemble de valeurs de correction à appliquer à l’instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur mesurée dudit pic de corrélation.
Selon un deuxième exemple de mise en œuvre de la phase de calibration, on fait varier la distance d entre le dispositif émetteur 11 et le dispositif récepteur 12, et plusieurs messages sont émis pour différentes valeurs de la distance d. Plus la distance d est grande entre le dispositif émetteur 11 et le dispositif récepteur 12, et plus le rapport signal sur bruit est faible. Là encore, une erreur sur l’estimation de l’instant d’arrivée, ainsi que la largeur du pic de corrélation utilisé pour estimer cet instant d’arrivée, sont déterminés pour chaque message reçu, afin d’obtenir un ensemble de valeurs de correction à appliquer à l’instant de détection du pic de corrélation en fonction de la largeur mesurée dudit pic de corrélation.
La phase de calibration permet ainsi d’obtenir une table comprenant des valeurs de correction à appliquer pour différentes largeurs de pic de corrélation. Il est alors possible de déterminer, par exemple par des méthodes de régression linéaire ou polynomiale, une valeur de correction à appliquer à un instant de détection d’un pic de corrélation en fonction de la largeur dudit pic de corrélation.
L’instant d’arrivée du message peut alors être estimé par le dispositif récepteur 12 en fonction d’une part d’un instant de détection du pic de corrélation et en fonction d’autre part de la largeur dudit pic de détection. Par exemple, pour estimer l’instant d’arrivée du message, la valeur de correction correspondant à la largeur du pic de corrélation est appliquée à l’instant de détection dudit pic de corrélation. L’instant d’arrivée du message peut alors être estimé comme étant l’instant corrigé de détection du pic de corrélation.
La description ci-avant illustre clairement que, par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs fixés. En particulier, l’invention permet d’améliorer la précision de l’estimation, au niveau d’un dispositif récepteur 12, de l’instant d’arrivée d’un message émis par un dispositif émetteur 11. De telles dispositions permettent alors d’améliorer la précision de la géolocalisation du dispositif émetteur 11 par une méthode de différence des temps d’arrivée (TDOA) en mettant en œuvre le procédé selon l’invention dans plusieurs dispositifs récepteurs 12.

Claims (8)

  1. Procédé (100) d’estimation, par un dispositif récepteur (12), d’un instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur (11), ledit message comportant une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles (20), ledit procédé (100) comportant :
    • un échantillonnage (101) du signal,
    • un calcul (102), pour chaque échantillon obtenu, d’une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative dudit code,
    • une détection (103) d’un pic (30) de corrélation présentant une valeur de corrélation supérieure à un seuil (S) de corrélation prédéterminé,
    caractérisé en ce queledit procédé (100) comporte en outre :
    • une mesure (104) d’une largeur (45, 55) dudit pic (30) de corrélation, ladite largeur (45, 55) étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon (41, 51) pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil (S1) prédéterminé et un deuxième échantillon (42, 52) pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil (S2) prédéterminé,
    • une estimation (105) de l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic (30) de corrélation et en fonction de la largeur (45, 55) dudit pic (30) de détection.
  2. Procédé (100) selon la revendication 1 dans lequel le premier seuil (S1) et le deuxième seuil (S2) ont la même valeur.
  3. Procédé (100) selon la revendication 1 dans lequel le premier seuil (S1) et le deuxième seuil (S2) ont une valeur différente.
  4. Procédé (100) selon la revendication 3 dans lequel le premier seuil (S1) correspond au seuil (S) de corrélation et le deuxième seuil (S2) correspond à un niveau moyen de bruit de corrélation.
  5. Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 4 comportant une phase de calibration préalable pendant laquelle des valeurs de correction à appliquer à l’instant de détection d’un pic (30) de corrélation sont déterminées en fonction de différentes largeurs (45, 55) dudit pic (30) de corrélation.
  6. Procédé (100) selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel le signal radioélectrique est un signal ultra large bande.
  7. Procédé (100) selon la revendication 6 dans lequel le signal ultra large bande est modulé avec une modulation de type « tout ou rien ».
  8. Dispositif récepteur (12) mettant en œuvre un procédé (100) d’estimation d’un instant d’arrivée d’un message émis sous la forme d’un signal radioélectrique par un dispositif émetteur (11), ledit message comportant une séquence de bits, chaque bit étant modulé par un code comportant plusieurs symboles (20), ledit dispositif récepteur (12) étant configuré pour :
    • échantillonner le signal reçu,
    • calculer, pour chaque échantillon obtenu, une valeur de corrélation entre le signal reçu et une séquence d’échantillons de référence représentative du code,
    • détecter un pic (30) de corrélation présentant une valeur de corrélation supérieure à un seuil (S) de corrélation prédéterminé,
    caractérisé en ce queledit dispositif récepteur (12) est en outre configuré pour :
    • mesurer une largeur (45, 55) dudit pic (30) de corrélation, ladite largeur (45, 55) étant représentative du nombre d’échantillons successifs entre un premier échantillon (41, 51) pour lequel la valeur de corrélation passe au-dessus d’un premier seuil (S1) prédéterminé et un deuxième échantillon (42, 52) pour lequel la valeur de corrélation passe en-dessous d’un deuxième seuil (S2) prédéterminé,
    • estimer l’instant d’arrivée du message en fonction d’un instant de détection du pic (30) de corrélation et en fonction de la largeur (45, 55) dudit pic (30) de détection.
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