FR3131144A1 - Method for receiving spectrally unspread radio frequency signals - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de réception d’un signal radiofréquences, RF, non étalé spectralement et transmis par trames, chaque trame comprenant une ou plusieurs séquences de référence (202) et séquences de symboles utiles (203). Le procédé comprend : - une première étape (301) de réception d’une trame du signal RF, puis pour au moins une séquence de symboles utiles, - une deuxième étape (302) d’estimation d’une réponse impulsionnelle du canal de propagation associée à la séquence de symboles utiles (504), à l’aide des séquences de référence, - une troisième étape (303) d’extraction (605) des retards et amplitudes des K trajets les plus forts de ladite réponse impulsionnelle, - une quatrième étape (304) de traitement de la séquence de symboles utiles par un récepteur Rake à K trajets (505) en utilisant les retards et amplitudes calculés lors de la troisième étape (303). L’invention concerne également un récepteur configuré pour implémenter les étapes du procédé. Figure pour l’abrégé : Fig. 3The invention relates to a method for receiving a radiofrequency signal, RF, not spectrally spread and transmitted by frames, each frame comprising one or more reference sequences (202) and sequences of useful symbols (203). The method comprises: - a first step (301) of receiving a frame of the RF signal, then for at least one sequence of useful symbols, - a second step (302) of estimating an impulse response of the propagation channel associated with the sequence of useful symbols (504), using the reference sequences, - a third step (303) of extracting (605) the delays and amplitudes of the K strongest paths of said impulse response, - a fourth step (304) of processing the sequence of useful symbols by a K-path Rake receiver (505) using the delays and amplitudes calculated during the third step (303). The invention also relates to a receiver configured to implement the steps of the method. Figure for the abstract: Fig. 3
Description
L’invention se situe dans le domaine des télécommunications, en particulier des communications numériques opérées dans la bande de fréquence HF (Hautes Fréquences), bande de fréquence typiquement comprise entre 3 MHz et 30 MHz.The invention lies in the field of telecommunications, in particular digital communications operated in the HF (High Frequencies) frequency band, a frequency band typically between 3 MHz and 30 MHz.
Elle porte plus particulièrement sur un procédé de réception de signaux numériques radiofréquences (RF) non étalés spectralement, contribuant à la résolution des erreurs liées aux phénomènes de multitrajets des signaux transmis, ainsi que sur un récepteur configuré pour mettre en œuvre le procédé de réception selon l’invention.It relates more particularly to a method for receiving digital radiofrequency (RF) signals that are not spectrally spread, contributing to the resolution of errors related to the phenomena of multipaths of the signals transmitted, as well as to a receiver configured to implement the method of reception according to the invention.
Par la suite, l’invention est décrite en lien avec des communications radiofréquences opérées dans la bande HF, où l’invention présente des performances particulièrement intéressantes. Cependant, elle peut s’appliquer de manière identique sans considération de la bande de fréquences.Subsequently, the invention is described in connection with radio frequency communications operated in the HF band, where the invention has particularly interesting performance. However, it can be applied identically regardless of the frequency band.
Les communications opérées en bande HF sont souvent affectées par des phénomènes de multitrajets complexes. Les conditions de propagation (réflexions sur la ionosphère, influence de latitude, etc…) en HF rendent le canal vu par le récepteur doublement sélectif : en fréquence et en temps. La sélectivité en fréquence se traduit par de l’interférence entre symboles, qu’il faut savoir traiter afin de pouvoir décoder l’information transmise. La sélectivité en temps se traduit par la nécessité d’adapter le traitement de l’interférence entre symboles au fil des informations reçues. En HF, le canal vu par un récepteur est très souvent composé de peu de trajets (en général deux, voire un peu plus), mais pouvant avoir des puissances moyennes proches. Il y a donc un intérêt particulier à traiter correctement ces différents trajets.Communications operated in the HF band are often affected by complex multipath phenomena. The propagation conditions (reflections on the ionosphere, influence of latitude, etc.) in HF make the channel seen by the receiver doubly selective: in frequency and in time. Frequency selectivity results in interference between symbols, which must be treated in order to be able to decode the information transmitted. Time selectivity translates into the need to adapt the treatment of the interference between symbols over the information received. In HF, the channel seen by a receiver is very often made up of few paths (generally two, or even a little more), but may have similar average powers. It is therefore of particular interest to process these different paths correctly.
Les modulations utilisées en HF sont majoritairement des modulations mono-porteuses, pour des considérations de facteur de crête. Le traitement de la sélectivité en temps et en fréquence du canal est donc habituellement réalisé dans le domaine temporel.The modulations used in HF are mostly single-carrier modulations, for crest factor considerations. The processing of the time and frequency selectivity of the channel is therefore usually carried out in the time domain.
Il existe trois familles de traitements permettant de traiter l’interférence entre symboles dans les récepteurs HF :
- les traitements basés sur le maximum de vraisemblance : ces traitements sont optimaux, c’est-à-dire que pour un rapport signal sur bruit donné, et en moyenne, le taux d’erreur binaire (en anglaisBit Error Rate, ou BER) obtenu est le plus faible qu’il est possible d’obtenir. Le défaut de cette solution est que la complexité du récepteur augmente exponentiellement avec la longueur du canal de propagation vue par le récepteur et l’ordre de la constellation utilisée, elle est donc généralement prohibitive ;
- les traitements d’égalisation : ces traitements consistent à appliquer l’effet inverse du canal de propagation au signal reçu. Un égaliseur est en général un bon compromis entre les performances obtenues et la complexité associée. On peut classer les égaliseurs existants de la manière suivante :
- les égaliseurs non itératifs : ils peuvent être linéaires ou non linéaires. Pour les canaux de transmission HF, les égaliseurs non linéaires à retour de décisions (par exemple un égaliseur DFE pourDecision Feedback Equalization, ou égalisation à décision récursive, ou un égaliseur BDFE pourBlock Decision Feedback Equalization, ou égalisation à décision récursive en blocs) présentent de bonnes performances et sont les plus utilisés. Cependant, les performances de ces égaliseurs ne sont pas optimales et peuvent être encore améliorées ;
- les égaliseurs itératifs : la « Turbo Egalisation » consiste à associer de manière itérative la fonction de décodage de canal avec une fonction d’égalisation adaptative. Les performances de ces égaliseurs sont globalement très bonnes pour des débits élevés. Cependant, les gains apportés par ce type d’égaliseur sont faibles pour des débits faibles à modérés, comme c’est le cas en HF lorsque l’on souhaite transmettre de manière robuste. De plus, ces égaliseurs possèdent une complexité calculatoire élevée et nécessitent une connaissance fine de l’évolution du canal ;
- les récepteurs Rake : ils sont utilisés lorsque les symboles utiles sont étalés spectralement/répétés avant d’être transmis. L’étalement de spectre consiste à répéter les symboles transmis, en substituant chaque symbole utile à transmettre par une séquence d’étalement. Celle-ci correspond en général à une succession de symboles qui sont transmis à une cadence d’autant plus élevée. Les récepteurs Rake consistent à se placer aux instants correspondant aux divers trajets d’intérêt, puis à « désétaler » le signal pour chacun de ces instants. Les signaux « désétalés » sont ensuite recombinés de manière cohérente et le signal final est démodulé. Lors du traitement de chacun des trajets d’intérêt, les autres trajets sont considérés comme des signaux d’interférence. La qualité de réception de chaque trajet peut alors être qualifiée par le SINR (acronyme anglais pourSignal to Interference -plus-Noise Ratio, ou rapport signal à bruit plus interféreur). Le récepteur tire profit de l’utilisation de séquences d’étalement afin de rejeter les interférences et de maximiser le SINR pour chacun des trajets d’intérêts. L’inconvénient de ce type de récepteur est qu’il présuppose qu’une ou des séquences d’étalement sont utilisées, ce qui n’est pas nécessairement le cas pour les transmissions HF. .
- processing based on the maximum likelihood: these processing are optimal, that is to say that for a given signal to noise ratio, and on average, the bit error rate (in English Bit Error Rate , or BER) obtained is the lowest it is possible to obtain. The defect of this solution is that the complexity of the receiver increases exponentially with the length of the propagation channel seen by the receiver and the order of the constellation used, it is therefore generally prohibitive;
- equalization processing: this processing consists of applying the inverse effect of the propagation channel to the received signal. An equalizer is generally a good compromise between the performance obtained and the associated complexity. We can classify existing equalizers as follows:
- non-iterative equalizers: they can be linear or non-linear. For HF transmission channels, non-linear decision feedback equalizers (e.g. DFE equalizer for Decision Feedback Equalization , or recursive decision equalization, or BDFE equalizer for Block Decision Feedback Equalization , or block recursive decision equalization) show good performance and are the most widely used. However, the performance of these equalizers is not optimal and can be further improved;
- iterative equalizers: “Turbo Equalization” consists of iteratively associating the channel decoding function with an adaptive equalization function. The performances of these equalizers are generally very good for high bit rates. However, the gains provided by this type of equalizer are low for low to moderate bit rates, as is the case with HF when robust transmission is desired. Moreover, these equalizers have a high computational complexity and require detailed knowledge of the evolution of the channel;
- Rake receivers: they are used when the useful symbols are spectrally spread/repeated before being transmitted. Spectrum spreading consists in repeating the symbols transmitted, by substituting each useful symbol to be transmitted by a spreading sequence. This generally corresponds to a succession of symbols which are transmitted at a correspondingly higher rate. Rake receivers consist of positioning themselves at the instants corresponding to the various paths of interest, then “despreading” the signal for each of these instants. The “despread” signals are then coherently recombined and the final signal is demodulated. When processing each of the paths of interest, the other paths are considered to be interference signals. The reception quality of each path can then be qualified by the SINR (English acronym for Signal to Interference -plus-Noise Ratio , or signal to noise ratio plus interferer). The receiver takes advantage of the use of spreading sequences to reject interference and maximize the SINR for each of the paths of interest. The disadvantage of this type of receiver is that it presupposes that a spreading sequence or sequences are used, which is not necessarily the case for HF transmissions. .
Le problème technique non résolu par l’art antérieur et que l’invention cherche à résoudre est donc celui de l’amélioration des performances des traitements de réception de signaux radiofréquence, en particulier les signaux HF qui par nature ne sont pas étalées et ont des débits modérés (0,15 à 0,6 bits/sec/Hz environ), et ce avec une complexité calculatoire contenue.The technical problem not solved by the prior art and which the invention seeks to solve is therefore that of improving the performance of the processing of reception of radiofrequency signals, in particular HF signals which by nature are not spread and have moderate bit rates (approximately 0.15 to 0.6 bits/sec/Hz), with limited computational complexity.
L’invention répond à ce problème en traitant l’interférence entre symboles provoquée par le canal de propagation HF (ou ayant des caractéristiques proches) plus efficacement que les traitements de l’état de l’art.The invention addresses this problem by processing the interference between symbols caused by the HF propagation channel (or having similar characteristics) more efficiently than the processing operations of the state of the art.
Par efficacement, on entend avec une complexité maitrisée et pour un rapport signal à bruit le plus bas possible.By efficiently, we mean with controlled complexity and for the lowest possible signal-to-noise ratio.
A cet effet, la présente invention décrit un procédé de réception d’un signal radiofréquences (RF) non étalé spectralement. Le signal est transmis par trames, chaque trame comprenant une ou plusieurs séquences de référence et une ou plusieurs séquences de symboles utiles. Le procédé selon l’invention comprend :
- une première étape de réception, transposition et numérisation d’une trame du signal RF, puis pour au moins une séquence de symboles utiles,
- une deuxième étape d’estimation d’une réponse impulsionnelle du canal de propagation associée à la séquence de symboles utiles, à l’aide d’une ou plusieurs des séquences de référence,
- une troisième étape d’extraction des retards et amplitudes des K trajets les plus forts de ladite réponse impulsionnelle du canal de propagation,
- une quatrième étape de traitement de la séquence de symboles utiles par un récepteur Rake à K trajets en utilisant les retards et amplitudes calculés lors de la troisième étape.
- a first step of reception, transposition and digitization of a frame of the RF signal, then for at least one sequence of useful symbols,
- a second step of estimating an impulse response of the propagation channel associated with the sequence of useful symbols, using one or more of the reference sequences,
- a third step of extracting the delays and amplitudes of the K strongest paths from said impulse response of the propagation channel,
- a fourth step of processing the sequence of useful symbols by a K-path Rake receiver using the delays and amplitudes calculated during the third step.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la deuxième étape d’estimation d’une réponse impulsionnelle du canal de propagation associée à la séquence de symboles utiles comprend :
- l’estimation d’une première réponse impulsionnelle du canal de propagation à partir d’une séquence de référence située avant ladite séquence de symboles utiles,
- l’estimation d’une deuxième réponse impulsionnelle du canal de propagation à partir d’une séquence de référence située après ladite séquence de symboles utiles, et
- le calcul d’une moyenne entre ladite première réponse impulsionnelle et ladite deuxième réponse impulsionnelle.
- estimating a first impulse response of the propagation channel from a reference sequence located before said sequence of useful symbols,
- estimating a second impulse response of the propagation channel from a reference sequence located after said sequence of useful symbols, and
- calculating an average between said first impulse response and said second impulse response.
La quatrième étape de traitement de la séquence de symboles utiles par un récepteur Rake à K trajets comprend :
- pour chaque trajet, l’application d’un recalage temporel et d’un gain à la séquence de symboles utiles,
- la sommation des séquences de symboles utiles recalées et ajustées en gain et la normalisation de la séquence de symboles résultante par un coefficient dépendant des gains appliqués aux trajets.
- for each path, the application of a time adjustment and a gain to the sequence of useful symbols,
- the summation of the readjusted and gain-adjusted sequences of useful symbols and the normalization of the resulting sequence of symbols by a coefficient depending on the gains applied to the paths.
Avantageusement, le procédé de réception d’un signal RF non étalé spectralement selon l’invention comprend en outre une étape d’estimation de bits de décision souples sur les symboles utiles issus de la quatrième étape, lesdits bits de décision souples étant par la suite utilisés comme entrées d’un algorithme de décodage correcteur d’erreurs.Advantageously, the method for receiving a non-spectrally spread RF signal according to the invention further comprises a step of estimating soft decision bits on the useful symbols coming from the fourth step, said soft decision bits subsequently being used as inputs to an error-correcting decoding algorithm.
Selon un mode de réalisation du procédé de réception d’un signal RF non étalé spectralement selon l’invention, le signal RF est transmis dans la bande des Hautes Fréquences.According to an embodiment of the method for receiving a non-spectrally spread RF signal according to the invention, the RF signal is transmitted in the High Frequency band.
L’invention porte également sur un récepteur de signaux radiofréquences, RF, caractérisé en ce qu’il comprend une chaîne radio configurée pour réaliser la première étape d’un procédé de réception d’un signal RF non étalé spectralement selon un mode de réalisation de l’invention, et des moyens de calcul configurés pour mettre en œuvre les étapes suivantes dudit procédé de réception d’un signal RF non étalé spectralement selon l’invention.The invention also relates to a radio frequency, RF signal receiver, characterized in that it comprises a radio chain configured to carry out the first step of a method for receiving a non-spectrally spread RF signal according to an embodiment of the invention, and calculation means configured to implement the following steps of said method for receiving a non-spectrally spread RF signal according to the invention.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées, données à titre d’exemple.The invention will be better understood and other characteristics, details and advantages will appear better on reading the following description, given without limitation, and thanks to the appended figures, given by way of example.
Des références identiques sont utilisées dans des figures différentes lorsqu’elles désignent des éléments identiques ou comparables.Identical references are used in different figures when they designate identical or comparable elements.
Claims (6)
- une première étape (301) de réception, transposition et numérisation d’une trame du signal RF, puis pour au moins une séquence de symboles utiles,
- une deuxième étape (302) d’estimation d’une réponse impulsionnelle du canal de propagation associée à la séquence de symboles utiles (504), à l’aide d’une ou plusieurs des séquences de référence,
- une troisième étape (303) d’extraction (605) des retards et amplitudes des K trajets les plus forts de ladite réponse impulsionnelle du canal de propagation,
- une quatrième étape (304) de traitement de la séquence de symboles utiles par un récepteur Rake à K trajets (505) en utilisant les retards et amplitudes calculés lors de la troisième étape (303).
- a first step (301) of reception, transposition and digitization of a frame of the RF signal, then for at least one sequence of useful symbols,
- a second step (302) of estimating an impulse response of the propagation channel associated with the sequence of useful symbols (504), using one or more of the reference sequences,
- a third step (303) of extracting (605) the delays and amplitudes of the K strongest paths of said impulse response of the propagation channel,
- a fourth step (304) of processing the sequence of useful symbols by a K-path Rake receiver (505) using the delays and amplitudes calculated during the third step (303).
- l’estimation d’une première réponse impulsionnelle (602) du canal de propagation à partir d’une séquence de référence située avant ladite séquence de symboles utiles,
- l’estimation d’une deuxième réponse impulsionnelle (603) du canal de propagation à partir d’une séquence de référence située après ladite séquence de symboles utiles, et
- le calcul d’une moyenne (604) entre ladite première réponse impulsionnelle et ladite deuxième réponse impulsionnelle.
- estimating a first impulse response (602) of the propagation channel from a reference sequence located before said sequence of useful symbols,
- estimating a second impulse response (603) of the propagation channel from a reference sequence located after said sequence of useful symbols, and
- calculating an average (604) between said first impulse response and said second impulse response.
- pour chaque trajet, l’application d’un recalage temporel (610) et d’un gain (612) à la séquence de symboles utiles,
- la sommation des séquences de symboles utiles recalées et ajustées en gain et la normalisation de la séquence de symboles résultante (613) par un coefficient dépendant des gains appliqués aux trajets.
- for each path, the application of a time adjustment (610) and a gain (612) to the sequence of useful symbols,
- the summation of the readjusted and gain-adjusted useful symbol sequences and the normalization of the resulting symbol sequence (613) by a coefficient depending on the gains applied to the paths.
Radiofrequency, RF signal receiver, characterized in that it comprises a radio chain (1102) configured to carry out the first step of a method for receiving a non-spectrally spread RF signal according to one of the preceding claims, and calculation means (1103) configured to implement the following steps of said method for receiving a non-spectral spread RF signal.
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