FR3131641A3

FR3131641A3 - Procédé de génération d’un signal de test pour capteur RF

Info

Publication number: FR3131641A3
Application number: FR2300162A
Authority: FR
Inventors: Xavier Merian
Original assignee: Mini Des Armees Etat Francais Represente Par Le Delegue General Pour Larmement; Ministere Des Armees Etat Francais Represente Par Le Delegue General Pour L'armement
Current assignee: Mini Des Armees Etat Francais Represente Par Le Delegue General Pour Larmement; Ministere Des Armees Etat Francais Represente Par Le Delegue General Pour L'armement
Priority date: 2022-01-06
Filing date: 2023-01-06
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2033-01-06
Also published as: FR3131641B3; FR3131669A1

Abstract

Procédé de génération d’un signal de test pour capteur RF représentatif du signal provenant d’au moins un émetteur et reçu par un récepteur RF comportant les étapes suivantes :- échantillonnage du signal émis puis pour chaque échantillon :- calcul de son instant d’arrivée au récepteur- calcul des coordonnées de positions et vitesses du récepteur à l’instant d’arrivée du signal - calcul de l’amplitude du signal reçu en fonction des positions de l’émetteur et du récepteurpuis à générer le signal de test à partir des valeurs calculées par :- échantillonnage des instants d’arrivée à la fréquence d’échantillonnage de l’émission ;- calcul par interpolation du signal en réception et l’atténuation entre l’émetteur et le récepteur ;- calcul de la variation de fréquence entre l’émission et la réception;- calcul par interpolation du décalage en fréquence applicable ;- construction du signal de test à partir des valeurs précédemment calculées.

Description

Procédé de génération d’un signal de test pour capteur RF

L’invention concerne le domaine des capteurs de signaux de télécommunication et, plus particulièrement, les capteurs spatiaux défilants.

Dans le cadre du développement, de la qualification, voire du réétalonnage d’un capteur, notamment, dans le domaine des télécommunications, il est utile d’émettre un signal RF de télécommunication connu de référence et de le traiter avec ce capteur puis de comparer les résultats de ce traitement avec ceux obtenus au préalable, par exemple lors de test sur un capteur semblable, cette comparaison étant d’autant plus importante que la mobilité des émetteurs et des capteurs a une influence importante sur les performances des traitements de ces derniers.

Il est connu de l’homme du métier de mettre en œuvre trois étapes successives pour qualifier les performances d’un capteur, à savoir :
- Une première étape consistant à effectuer des vérifications sur chaque signal émetteur connu, supposé fixe et pris isolément, le capteur étant lui aussi supposé fixe ;
- Une seconde étape consistant à effectuer des vérifications des signaux résultant d’une somme pondérée de signaux émetteurs connus supposés fixes, le capteur étant supposé fixe ;
- Une troisième étape consistant à effectuer des vérifications sur des signaux acquis en environnement réel, le capteur étant mobile.

Dans les deux premières étapes, la mobilité n’est pas prise en compte. Dans la troisième étape, une analyse au préalable des signaux acquis est indispensable, pour s’assurer que les conditions de qualification sont réunies, c’est-à-dire que les émissions sont conformes aux émetteurs prévus au cahier des charges. Cette analyse est lourde et parfois en échec quand la densité des signaux est importante.

Par ailleurs, on connait le brevet US6058261 qui décrit un procédé de simulation d’un signal RF comportant une partie réelle et une partie imaginaire et étant représentatif du signal provenant d’au moins un émetteur et reçu par un récepteur RF, ce récepteur et cet au moins un émetteur étant mobiles l’un par rapport à l’autre et leurs positions et leurs vitesses étant connues en fonction du temps et le signal émis par ledit au moins un émetteur étant lui aussi connu, procédé du type comportant une étape d’échantillonnage du signal émis par ledit au moins un émetteur à une fréquence f_echet une étape de calcul de la variation de la fréquence du signal entre l'émetteur et le récepteur à cause de l'effet Doppler en fonction de la vitesse relative radiale entre l’émetteur et le récepteur. Dans ce brevet, les différents trajets du signal (direct ou réfléchi) arrivent tous à la même position du récepteur et seul le temps de trajet tdi varie ce qui n’est, physiquement, pas possible et constitue une approximation acceptable uniquement dans le cadre de mobile se déplaçant à faible vitesse.

L’objectif de l’invention est de résoudre les inconvénients de l’état de la technique en proposant un procédé de génération d’un signal de test pour capteurs RF précis et fonctionnant quelle que soit la vitesse du ou des mobiles.

Ainsi, l’invention consiste en un procédé de génération d’un signal de test pour capteur RF comportant une partie réelle et une partie imaginaire et étant représentatif du signal provenant d’au moins un émetteur et reçu par un récepteur RF, ce récepteur et cet au moins un émetteur étant mobiles l’un par rapport à l’autre et leurs positions et leurs vitesses étant connues en fonction du temps et les signaux émis par ledit au moins un émetteur étant eux aussi connus et comportant une partie réelle et une partie imaginaire, procédé du type comportant une étape d’échantillonnage du signal émis par ledit au moins un émetteur à une fréquence f_ech, une étape de détermination de l’atténuation du signal émis entre l’émetteur et le récepteur et une étape de calcul de la variation de la fréquence du signal entre l'émetteur et le récepteur à cause de l'effet Doppler en fonction de la vitesse relative radiale entre l’émetteur et le récepteur, procédé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
pour chaque échantillon de ce signal auquel est associé une date d'émission :
- Une étape de calcul de l’instant d’arrivée au récepteur de cet échantillon du signal émis en fonction des positions et vitesses correspondantes de l’émetteur et du récepteur ;
- Une étape de calcul des coordonnées de positions et vitesses du récepteur à l’instant d’arrivée au récepteur de l’échantillon du signal émis ;
- Une étape de calcul de l'atténuation du signal entre l'émetteur et le récepteur, en fonction des positions de l’émetteur à la date de l’émission de cet échantillon et du récepteur à sa date de réception ;
Une étape de calcul, pour les instants d’arrivée, de la variation de fréquence entre l’émission et la réception due à l’effet Doppler en fonction de la vitesse relative radiale entre l’émetteur aux instants d’émission et le récepteur aux instants d’arrivée ;
puis à générer le signal de test à partir des valeurs précédemment calculée selon :
Une étape d’interpolation des instants d'arrivée par une séquence échantillonnée régulièrement à la fréquence d'échantillonnage de l'émission et sur la durée totale de réception ;
- Une étape consistant à calculer, par interpolation, aux instants d’arrivée interpolés correspondant à la fréquence d’échantillonnage de l’émission, l'atténuation du signal entre l’émetteur et le récepteur à partir de celles calculées pour chacun des échantillons ;
- Une étape consistant à calculer, par interpolation, aux instants d’arrivée interpolés correspondant à la fréquence d’échantillonnage de l’émission, le signal reçu correspondant à partir des instants calculés d’arrivée au récepteur des échantillons du signal émis ;
- Une étape consistant à calculer par interpolation, (à partir des) aux instants d’arrivée interpolés correspondant à la fréquence d’échantillonnage de l’émission, la variation de fréquence entre l’émission et la réception due à l’effet Doppler ;
- Une étape de construction du signal de test à partir des valeurs interpolées de l’atténuation, du signal et de la variation de fréquence.

Selon une caractéristique additionnelle, pour chaque échantillon de ce signal, un procédé selon l’invention comporte une étape de calcul des positions et vitesses à la réception à partir des valeurs connues et synchronisées dans le temps de positions et vitesses de l’émetteur et du récepteur.

Selon une autre caractéristique, un procédé selon l’invention comporte une étape de calcul de la largeur de bande de réception en fonction des vitesses radiales minimale et maximale entre l’émetteur et le récepteur, ainsi que de la fréquence centrale et de la largeur de bande du signal émis.

Selon une caractéristique particulière, la largeur de bande de réception est calculée à partir de la formule suivante :
où,
vradmin est la vitesse radiale minimale entre l’émetteur et le récepteur
vradmax est la vitesse radiale maximale entre l’émetteur et le récepteur
f_emeest la fréquence centrale du signal émis
lb_emeest la largeur de bande du signal émis.

Selon une autre caractéristique, la position de l’émetteur comporte, dans un repère XYZ donné les coordonnées (XE_technE, YE_technE, ZE_technE) tandis que le récepteur est mobile et ses positions et vitesses au temps k, respectivement (XRk, YRk, ZRk) et (VXRk, YRk, ZRk), de l’émetteur sont connues pour k variant de 1 à q à partir d’une date de référence, procédé caractérisé en ce qu’il comporte pour chaque échantillon n du signal émis au temps tn :
- une étape de calcul de la position (XtechnR, YtechnR, ZtechnR) du récepteur au temps tn ;
- une étape de calcul de la distance dn séparant l’émetteur du récepteur au temps tn - une étape de calcul de l’instant technR de début de l’arrivée au récepteur de cet échantillon et l’amplitude correspondante du signal reçu à partir des équations respectives suivantes :

Avec :

Avec :
n étant un échantillon quelconque parmi les N échantillons numérotés de 1 à N du signal émis.

Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l’invention comporte une étape de calcul de la position du récepteur lorsqu’il reçoit le nième échantillon du signal émis à partir de la formule suivante :

Selon une autre caractéristique particulière, un procédé selon l’invention comporte une étape supplémentaire de vérification de l’exactitude de la position calculée du récepteur lorsqu’il reçoit le n^ièmeéchantillon du signal émis, cette étape consistant à vérifier l’inégalité suivante :

puis, lorsque l’inégalité n’est pas vérifiée, à recommencer les étapes précédemment décrites en remplaçant Rk+1 par Rk+2, voire Rk+3, et ce, jusqu’à ce que l’inégalité soit vérifiée.

Ce procédé permet de générer le signal acquis par un capteur fixe ou mobile en présence de différents émetteurs fixes ou mobiles, en décrivant les données d’entrée ainsi que les équations à utiliser.

La maîtrise du signal généré est assurée au travers de la représentativité du signal d’émission de chaque émetteur impliqué, et dans la prise en compte fine, au niveau de l’échantillon, de la mobilité émetteur-capteur dans la construction du signal reçu par le capteur.

Un procédé selon l’invention comporte en outre les avantages suivants :
- Il permet de calculer l’influence de la mobilité entre l’émetteur et le récepteur sur un signal reçu, échantillon par échantillon, ce qui permet d’aborder l’utilisation de ces signaux particuliers dans les algorithmes de traitement du signal ;
- Il s’appuie sur une représentation des signaux de départ en échantillons complexes en bande de base, et donc de pouvoir utiliser des signaux réels très représentatifs des formes d’ondes utilisées par les émetteurs ;
- Il permet de calculer uniquement l’influence de la mobilité entre l’émetteur et le récepteur sur un signal reçu, ce qui délimite le calcul et permet de le maîtriser, moyennant le respect de l’hypothèse de propagation en espace libre.

montre une représentation schématique en géométrie plane d’un exemple d’évolution de la position d’un récepteur mobile entre l’instant d’émission du premier échantillon d’un signal et sa réception ;

présente une représentation schématique en géométrie plane d’un exemple d’évolution de la position d’un récepteur mobile entre l’instant d’émission d’un n^ièmeéchantillon d’un signal et sa réception ;

illustre, en géométrie plane, un exemple d’évolution de la position d’un récepteur mobile entre l’instant d’émission d’un n^ièmeéchantillon d’un signal et sa réception en cas de variation de vitesse du récepteur entre ces instants ;

et montrent respectivement un exemple du spectre amplitude /fréquence et sa correspondance en temps/fréquence d’un signal reçu sans effet Doppler ;

et montrent respectivement un exemple du spectre amplitude /fréquence et sa correspondance en temps/fréquence d’un signal reçu avec effet Doppler.

Nous allons maintenant décrire plus particulièrement un mode de réalisation d'un procédé de génération d’un signal de test pour capteur RF comportant une partie réelle et une partie imaginaire et étant représentatif du signal provenant d’au moins un émetteur et reçu par un récepteur RF, ce récepteur et cet au moins un émetteur étant mobiles l’un par rapport à l’autre, cette mobilité pouvant engendrer une variation de la fréquence centrale, due à l’effet Doppler, entre le signal émis et le signal reçu.

Dans ce mode de réalisation et afin de simplifier la démonstration, le capteur est mobile et les émetteurs sont fixes et ont la même date de référence.

De plus, les hypothèses suivantes ont été posées :
- La vitesse radiale v_radde déplacement entre l’émetteur et le récepteur sur l’axe émission-réception est comptée positive dans le sens de la propagation de l’onde ;
- Il n’y a pas de multi-trajet (utilisation des distances directes) ;
- L’échantillon est modélisé par une valeur complexe du type Ae^j2πt;
- La largeur de bande des signaux émis est supposée plus faible que la largeur de bande de réception ;
- Les caractéristiques de mobilité des émetteurs et du capteur sont connues et décrites dans le temps par des données de positions/vitesses ;
- La vitesse radiale entre l’émetteur et le récepteur est très largement inférieure à la vitesse de la lumière ;
- Le type d’émetteur est quelconque mais son spectre d’émission respecte l’approximation bande étroite et plus particulièrement sa largeur de bande est inférieure à un dixième de sa fréquence centrale.

Dans cet exemple de réalisation, les données d’entrée, pour chacun des émetteurs, sont :
- Une date de référence, (jj/mm/aaaa hh:mn:ss,0) fixée arbitrairement ici au 1^erjanvier 2000 ;
- Sa ou ses positions (E_j(m)) et vitesses correspondantes (V_E _j (m.s^-1)) à des temps successifs j, j variant de 1 à p en fonction du temps dont l’origine est la date de référence et dans un repère donné tel par exemple le centre de la terre (Earth Centered Earth Fixed) ;
- Un signal d’émission de référence échantillonné, sa fréquence centrale d’émission (MHz), sa puissance isotrope rayonnée équivalente (W), sa fréquence d’échantillonnage (Hz), ainsi que le nombre d’échantillons ;
- La valeur du temps de décalage (s) du début de l’émission par rapport à la date de référence ;
- La durée de l’émission du signal de référence (s).

Les données d’entrée du récepteur, appelé capteur dans la suite, sont :
- Sa fréquence centrale de réception (MHz) ;
- Sa date de référence (jj/mm/aaaa hh:mn:ss,0) fixé arbitrairement ici au 1^erjanvier 2000 ;
- Ses positions (R_k(m)) à des temps successifs k, k variant de 1 à q au cours du temps dont l’origine est la date de référence et dans un repère donné tel par exemple le centre de la terre (Earth Centered Earth Fixed) ;
- Ses vitesses (V_Rk(m.s-1)) aux temps successifs k, k variant de 1 à q dont l’origine est la date de référence et dans un repère donné tel par exemple le centre de la terre (Earth Centered Earth Fixed).

Par ailleurs, entre l’émetteur et le récepteur, les différences de vitesses, et de positions, induisent à l’arrivée sur le récepteur et pour chaque échantillon du signal bande de base émis :
- un retard, conséquence de la prise en compte de la vitesse de propagation des ondes, constante et égale à la célérité de la lumière dans le vide, notée c (c = 299 792 458 m.s-1) et de la vitesse radiale de déplacementv _raddu capteur par rapport aux émetteurs ;
- un décalage en fréquence (effet Doppler) entre la fréquence centrale d’émissionf _emeet la fréquence de réceptionf _rec .Elle est calculée selon la formule classique impliquant la vitesse radiale émetteur – récepteur sans prendre en compte la relativité : (1)
- Un affaiblissement de l’amplitude de l’échantillon calculé en considérant une propagation en espace libre et en champ lointain.

De plus, les hypothèses suivantes ont été posées :
- Entre deux échantillons de positions/vitesses, l’émetteur et le récepteur sont considérés comme subissant un déplacement rectiligne uniforme ce qui permet d’appliquer de la trigonométrie plane) ;
- La période entre deux échantillons de positions/vitesses est identique pour l’émetteur et le récepteur afin de permettre la synchronisation des cinématiques émetteur et récepteur ;
- La période entre deux échantillons de positions/vitesses est supérieure au temps qui sépare la réception de deux échantillons de signal successifs pour ne pas avoir de variation de vitesse systématique entre deux échantillons.

Le signal de référence choisi est un signal représentatif d’un signal radiofréquence de communication vocale et du type d’émetteur et de la forme de l’onde émise.

Afin d’avoir des positions et vitesses des émetteurs à des dates identiques à celles du récepteur, des tableaux des positions/vitesses des émetteurs sont construits en interpolant les valeurs initiales (E_j,V_Ej) sur la datation des positions/vitesses (R_k,V_Rk) des récepteurs. Cette procédure permet de synchroniser les positions et vitesses des émetteurs et du récepteur dans le temps.

Au niveau de chaque émission arrivant sur le récepteur, l’effet Doppler aura pour effet de modifier progressivement la fréquence centrale du signal émis. La largeur de bande de réception qu’il faut prendre en compte pendant toute la durée de l’émission peut être significativement plus grande. C’est pourquoi cet accroissement de largeur de bande est calculé à partir la formule (1) où la vitesse radiale est égale à : = .

La nouvelle largeur de bande est égale à
(3)

Le signal de chaque émetteur est rééchantillonné à une fréquence d’échantillonnagef _echtelle que cette dernière soit plus grande que la nouvelle largeur de bande calculée et soit un sous multiple de 2 de la fréquence d’échantillonnage en réception afin de minimiser les effets de bords du suréchantillonnage.

La présente un émetteur fixe occupant une positionE1et un récepteur mobile occupant des positions successives R _k ,k∈[1,… , K]dans le temps. Le signal émis est quant à lui échantillonné à la fréquence d’échantillonnagef _echsoit avec une périodet _ech et possèdeNéchantillons numérotés de1àN.

A l’instant tech1E, l’émetteurEest à la positionE1 et lepremier échantillonech1du signal d’amplitudeA _ech1E ,est émis par E mais toujours présent enE ₁ tandis que lerécepteurRest supposé être à la positionR ₁ connue et n’a pas encore reçu lepremier échantillonech1du signal. Dans le cas où le récepteur ne se trouverait pas à une position connue à l’instant où le premier échantillon est émis, par exemple s’il se trouvait entre deux positions connues R_ket R_k+1,il serait nécessaire de calculer sa position par interpolation à partir de ces valeurs.

A l’instant tech1R où le récepteur reçoitlepremier échantillonech1du signal émis avec une amplitude atténuéeA _ech1R, l’émetteurEest toujours à la positionE1tandis que le récepteur, mobile, est à la positionR _tech1R.

La première étape du procédé consiste à calculer, au regard de la , l’instant t_ech1Roù le récepteur R reçois le premier échantillon ech1 du signal émis par l’émetteur E sachant que (4)
oùd _ech1Rdivisé par c est le décalage temporel entre l’instant d’émission du premier échantillon du signal par l’émetteur E et l’instant où le récepteur, mobile, le reçoit.

Pour calculer la distanced _ech1R, on utilise la règle du cosinus dans un triangle quelconque :
(5)

Comme la position de l’émetteur et du récepteur, lorsque ce dernier se trouve en R1, sont connues, la distance d1 peut être calculée par la formule suivante :
(6)

La distanced _{R1, Rtech1} est fonction det _ech1R et s’exprime par :
(7)
où les vitessesVX _R1 ,VY _R1 ,VZ _R1 sont connues.

Le cosinus de l’angleαest connu et s’exprime par le produit scalaire suivant :
(8)

En reportant (5) dans (4), on obtient :
(9)

En reportant (7) dans (9), on obtient :
(10)

En élevant au carré de chaque côté :

Ce qui donne :
(12)

L’équation (12) est une équation du second degré à une inconnue de type :
(13)
Avec :
(14)

Les deux solutions sont :
(15)

Pour éliminer une des solutions, on utilise le fait que le retardtech1R – tech1Eest positif dans tous les cas donc, notamment, dans le cas simple oùtech1Eest nul et le cosinus de l’angleαest nul (angle droit).

Dans ce cas simple, on obtient :
(16)
Avec :
(17)
(18)
(19)

On a au numérateur :
(20)

Dans ce cas le numérateur est négatif et comme le dénominateur est positif,tech1Rserait négatif, ce qui n’est pas possible. La solution est donc :
(21)
Avec :

(14)

Et :
(22)
(23)

Une seconde étape consiste à calculer l’amplitude A_tech1Rdu premier échantillon quand il arrive au niveau du récepteur R au temps t_ech1R. Il a parcouru d’après l’équation (3) la distance :
(24)

L’affaiblissement de propagation sur cette distance est obtenu par la formule :
(25)

Où f est la fréquence centrale du signal qui porte l’échantillon. L’amplitude reçue est donc :
(26)
(27)

Une troisième étape consiste à calculer les coordonnées de la position R_tech1Rdu récepteur quand il reçoit le premier échantillon. Elles sont les suivantes :
(28)

Si la distance entreR ₁ etR _tech1R est plus grande que celle entreR ₁ etR ₂ , alors la position calculéeR _tech1R est au-delà deR ₂ et le calcul det _ech1Rdoit être repris en remplaçantR ₁ etR ₂ parR ₂ etR ₃ et ainsi de suite jusqu’à ce que la distance entreR _k etR _tech1R soit plus petite que celle entreR _k etR _k+1 . Par conséquent,kest le plus petit entier positif ou nul tel que :
(29)

Quand l’inégalité est vérifiée, la vitesse du récepteur, lorsqu’il reçoit le premier échantillon, a l’expression suivante :

Lorsque la vitesse du récepteur ne change pas durant le trajet d’un échantillonechn, la trajectoire du récepteur est rectiligne entre la positionRtechnEdu récepteur quand l’échantillonechnest enE1et la positionRtechnRquand l’échantillonechnarrive sur le récepteur. La configuration est alors celle présentée sur la .

Pour généraliser l’exposé précédant au cas du nième échantillon, il suffit de reprendre les équations (21) et (27) en les généralisant soit :
(30)
(31)
Avec :
(32)

Pour l’échantillonn, la position du récepteurRest celle à la positionR _technEau moment de l’échantillonnenEdécalée de la distance parcourue selon la vitesse enRksur une durée égale à la différence entret _echnRett _echnE.
(33)

La distanced _n à l’instant technE est :
(34)

Le cosinus devient :
(35)

Dans notre cas de figure, l’inégalité suivante est vraie :
(36)

Le principe de calcul consiste donc à calculer systématiquementR _technRpour chaque échantillonechnsuccessif et pour un premier couple de valeurketk+1. Pour chaque valeur deR _technR, on conserve cette valeur si l’inégalité est vérifiée, et on passe au calcul duR _technRsuivant.

Si l’inégalité (36) n’est pas vérifiée, cela signifie que la vitesse radiale du récepteur a varié durant le trajet de l’échantillon echn du signal émis. Dans ce cas, l’évolution du système est présentée sur la .

L’équation 4 se réécrit de la façon suivante :
(37)

La distancel _n est connu et s’exprime par :
(38)

En constatant que la distancedRk+1,RtechnRest fonction de la vitesse deR(connue) et de la différence du temps globaltechnR-technEet du temps queRa mis pour parcourirdRtechnE, Rk+1(connue), la distancedRk+1,RtechnRs’exprime par :
(39)

Où les vitessesVX _Rk,VY _Rk,VZ _Rk,VX _Rk+1,VY _Rk+1,VZ _Rk+1, sont connues.

Le cosinus de l’angleαest connu et s’exprime par le produit scalaire suivant :
(40)

Ainsi, l’équation générale (36) s’écrit alors :
(41)

L’équation (41) est une équation du second degré à une inconnue de type :
(42)
Avec :

(43)

La solution est donc :
(44)
(45)

Pour l’échantillonn, la position du récepteurRest déduite de l’équation (39) :
(46)

Lorsque ce calcul est terminé, le procédé selon l’invention consiste à calculer la positionR _technR du récepteur pour l’échantillon suivant en incrémentantkde 1 et à partir des équations (21) et (31).

Dans la suite, est présenté une autre variante de réalisation de l’invention dans laquelle l’émetteur et le récepteur sont mobiles. Pour cela, dans les équations (21) et (31), il suffit de remplacer la positionE ₁par la positionEnde l’émetteur à l’instantt _echnE correspondant au nième échantillon émis.

Les équations (31) deviennent :
(47)

La distanced _n devient :
(48)
Avec :
(49)

L’équation (35) est modifiée comme suit :
(50)

Si l’inégalité (36) n’est pas vérifiée, cela signifie que la vitesse radiale du récepteur a varié durant le trajet de l’échantillon echn du signal émis et tandis que A et C restent inchangés, la valeur deBdans les équations (43) devient :
(51)
Avec :
(52)
et
(53)

Que le ou les émetteurs soient fixes ou mobiles et que la vitesse radiale entre émetteur et récepteur soit constante ou varie, comme explicité précédemment, l’étape suivante d’un procédé selon l’invention consiste à construire le signal théoriquement reçu par le récepteur à partir du signal émis par l’émetteur et des calculs de décalage, de variation de fréquence et d’atténuation calculés précédemment.

Pour cela, pour chaque couple émetteur-récepteur, le traitement est identique.

Dans cet exemple de réalisation, le signal émis est de forme complexe en bande de base, fonction du temps et s’écrit :
(54)

Et l’atténuation attdeb a été considéré comme le rapport entre l’amplitude reçue et émise de l’échantillon :
(55)

Un observateur qui se situe au niveau du récepteur observe le signal dans une fenêtre temporelle qui commence à l’instant du premier échantillon présent au niveau du récepteur et qui dure la durée des instantst _echnR qui peut êtrelégèrement plus grande que la durée du signal émission si le récepteur s’éloigne de l’émetteur et l’inverse s’il se rapproche. Aussi, la durée entre les temps d’arrivés du signal au récepteur peuvent ne pas être réguliers.

En échantillonnant le signal reçu à la même fréquence que la fréquence d’émission, les instants des échantillons du signal retardé correspondent à l’interpolation des temps retardés (t _echnR) par une séquence échantillonnée régulièrement à la fréquencef _ech(inverse det _ech) sur la durée totale de réception. Ils sont les suivants :
(56)
avec P égal à la partie entière de la différence entre le temps de réception finalt _echNRet le temps de réception du premier échantillont _ech1Rdivisée par la période d’échantillonnaget _ech.

Le signal émis retardé est l’interpolation du signal émis aux instants tempsecheemerec et il est calculé en utilisant la fonction Matlab d’interpolation suivante :
(57)

L’atténuation finale à prendre en compte est aussi l’interpolation de l’atténuation initiale au temps tempsecheemerec. Elle est calculée, sous Matlab, en utilisant la fonction Matlab d’interpolation suivante :
(58)

Le décalage en fréquence est calculé selon les équations (1) et (2).

L’équation (1) est obtenue à partir des équations (19), (46) et (47).

Pour calculerv _radselon (2), les positions/vitesses du récepteur sont d’abord interpolées aux instantstechnR.

Comme le signal est en bande de base, le décalage en fréquence est un décalage relatif et a pour expression :
(59)

Une fois le décalage en fréquence Δf _reccalculé, le décalage en fréquence définitif à la réception est l’interpolation de la fréquence Δf _recaux tempstempsecheemerec.
(60)

Finalement le signal reçu en bande de base se construit par le calcul suivant :
(61)

La mise en œuvre du procédé selon l’invention est réalisée au moyen d’un logiciel et d’un ordinateur de type « personal computer ».

Un premier sous-programme lit le fichier signal de la forme d’onde d’un émetteur, l’échantillonne à une fréquence d’échantillonnage respectant l’équation 3. Les échantillons d’émission sont sauvegardés.

Un second sous-programme calcule :
- Les instants d’arrivée au récepteur de ces échantillons du signal émis en fonction des positions et vitesses respectives de l’émetteur et du récepteur ;
- L’atténuation du signal reçu à ces instants d’arrivée.

Un troisième sous-programme :
- Définit des instants d’arrivée à la fréquence d’échantillonnage de l’émission ;
- Calcule, par interpolation, à partir des instants d’arrivée le signal en réception, et l’atténuation entre l’émetteur et le récepteur ;
- Calcule, pour les instants d’arrivée, la variation de fréquence entre l’émission et la réception due à l’effet Doppler en fonction de la vitesse relative radiale entre l’émetteur aux instants de début de l’émission et le récepteur aux instants d’arrivée ;
- Calcule par interpolation, à partir des instants d’arrivée, le décalage en fréquence qui sera appliqué au signal de réception ;
- Génère le signal de test à partir de cette variation de fréquence et des valeurs interpolées du retard de réception et de l’atténuation.

Des tests ont été réalisés à partir d’un récepteur et trois émetteurs émettant dans des lieux différents. Ces émetteurs émettent des signaux différents à savoir une forme d’onde NXDN, une forme d’onde TETRA et une forme d’onde APCO 25. Ces trois émissions, provenant de trois lieux différents, ont été regroupés en un seul signal bande de base en les plaçant à des fréquences centrales proches.

Trois niveaux de vérification ont été réalisés :
- Avant construction des signaux reçus, avec un outil d’analyse technique pour examiner l’occupation temps-fréquence ;
- Après construction des signaux reçus, avec un outil d’analyse technique pour examiner l’occupation temps-fréquence ;
- Après exploitation d’un des signaux reçus par un outil de décodage pour vérifier les propriétés de ce signal notamment l’intelligibilité de la voix.

Avant que le signal reçu ne soit calculé, il a été enregistré au format ‘.wav’ et visualisé avec un outil d’analyse de signaux.

Un exemple de signal reçu en supposant l’émetteur et le récepteur fixe, donc sans effet Doppler, est fourni sur la .

Sur la figure temps/ fréquence de la correspondant au spectre de la . En plaçant une ligne verticale 10 partant du centre de la fréquence de réception, on constate que la fréquence centrale ne varie pas dans le temps, donc qu’il n’y a pas de variation de fréquence due à l’effet Doppler.

La montre un exemple d’un spectre de signal reçu lorsque le récepteur est mobile par rapport à l’émetteur.

Sur la figure temps/fréquence de la correspondant au spectre de la , en plaçant une ligne verticale 11 partant du centre de la fréquence de réception, on constate une fréquence centrale plus élevée que la fréquence de réception au départ de l’acquisition et qui décroit progressivement. Ce décalage de fréquence est généré par l’effet Doppler et due au déplacement radial relatif entre l’émetteur et le récepteur.

On remarque aussi sur les courbes que les conséquences de l’effet Doppler ne sont pas mises en évidence sur les représentations du spectre que le signal soit court ou long et/ou en forme de chute d’eau.

Pour la vérification des bonnes propriétés des signaux reçus, les signaux sont enregistrés au niveau du récepteur en bande étroite de façon unitaire puis ensemble en bande large. Les signaux sont enregistrés sans effet Doppler et avec effet Doppler.

La vérification a lieu avec un logiciel de décodage sur le signal APCO 25 qui dure le plus longtemps (13 secondes). Ce signal contient un message vocal de lecture des nombres de 1 à 10. Cet outil de décodage selon l’état de l’art, part du signal complexe bande de base, reconstruit et effectue plusieurs étapes, notamment de synchronisation, démodulation et décision pour reconstruire le signal.

Le fichier ‘.wav’ au format 16 bits de l’émission est lu par l’outil et le message vocal est clairement reproduit.

Le fichier ‘.wav’ en réception fixe en bande étroite est lu par l’outil WAVECOM et le message vocal est reproduit avec une qualité moindre mais intelligible. Cette diminution de la qualité est liée à la diminution du rapport signal à bruit causée par l’affaiblissement de propagation et l’accroissement de la bande d’échantillonnage.

Le fichier ‘.wav’ en réception mobile en bande étroite est lu par l’outil et le message vocal est reproduit correctement uniquement sur la fin du message. Cette reproduction partielle est liée au fait que le logiciel de l’outil ne peut pas suivre la variation de fréquence centrale totale sur toute la durée du signal.

Pour s’assurer que c’est bien un problème dû à l’outil de production et non pas à un défaut de propriétés du signal, plusieurs signaux sont construits à partir du signal reçu pour plusieurs décalages de fréquence Doppler (500, 700 et 1000 Hz). On vérifie alors que la production correcte est plus longue et décalée dans le signal. Les propriétés intrinsèques liées au protocole sont donc bien conservées dans le signal. La méthode est donc validée.

Claims

Procédé de génération d’un signal de test pour capteur RF comportant une partie réelle et une partie imaginaire et étant représentatif du signal provenant d’au moins un émetteur et reçu par un récepteur RF, ce récepteur et cet au moins un émetteur étant mobiles l’un par rapport à l’autre et leurs positions et leurs vitesses étant connues en fonction du temps et les signaux émis par ledit au moins un émetteur étant eux aussi connus et comportant une partie réelle et une partie imaginaire, procédé du type comportant une étape d’échantillonnage du signal émis par ledit au moins un émetteur à une fréquence fech, une étape de détermination de l’atténuation du signal émis entre l’émetteur et le récepteur et une étape de calcul de la variation de la fréquence du signal entre l'émetteur et le récepteur à cause de l'effet Doppler en fonction de la vitesse relative radiale entre l’émetteur et le récepteur, procédé caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
pour chaque échantillon de ce signal auquel est associé une date d'émission :
- Une étape de calcul de l’instant d’arrivée au récepteur de cet échantillon du signal émis en fonction des positions et vitesses correspondantes de l’émetteur et du récepteur ;
- Une étape de calcul des coordonnées de positions et vitesses du récepteur à l’instant d’arrivée au récepteur de l’échantillon du signal émis
- Une étape de calcul de l'atténuation du signal entre l'émetteur et le récepteur, en fonction des positions de l’émetteur à la date de l’émission de cet échantillon et du récepteur à sa date de réception ;
- Une étape de calcul, pour les instants d’arrivée, de la variation de fréquence entre l’émission et la réception due à l’effet Doppler en fonction de la vitesse relative radiale entre l’émetteur aux instants d’émission et le récepteur aux instants d’arrivée ;
puis à générer le signal de test à partir des valeurs précédemment calculée selon :
- Une étape d’interpolation des instants d'arrivée par une séquence échantillonnée régulièrement à la fréquence d'échantillonnage de l'émission et sur la durée totale de réception ;
- Une étape consistant à calculer, par interpolation, aux instants d’arrivée interpolés correspondant à la fréquence d’échantillonnage de l’émission, l'atténuation du signal entre l’émetteur et le récepteur à partir de celles calculées pour chacun des échantillons ;
- Une étape consistant à calculer, par interpolation, aux instants d’arrivée interpolés correspondant à la fréquence d’échantillonnage de l’émission, le signal reçu correspondant à partir des instants calculés d’arrivée au récepteur des échantillons du signal émis ;
- Une étape consistant à calculer par interpolation, aux instants d’arrivée interpolés correspondant à la fréquence d’échantillonnage de l’émission, la variation de fréquence entre l’émission et la réception due à l’effet Doppler ;
- Une étape de construction du signal de test à partir des valeurs interpolées de l’atténuation, du signal et de la variation de fréquence.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour chaque échantillon de ce signal, il comporte une étape de calcul des positions et vitesses à la réception à partir des valeurs connues et synchronisées dans le temps de positions et vitesses de l’émetteur et du récepteur.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de calcul de la largeur de bande de réception en fonction des vitesses radiales minimale et maximale entre l’émetteur et le récepteur, ainsi que de la fréquence centrale et de la largeur de bande du signal émis.
Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur de bande de réception est calculée à partir de la formule suivante :
où :
vradmin est la vitesse radiale minimale entre l’émetteur et le récepteur
vradmax est la vitesse radiale maximale entre l’émetteur et le récepteur
f_emeest la fréquence centrale du signal émis
lb_emeest la largeur de bande du signal émis.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel la position de l’émetteur comporte, dans un repère XYZ donné les coordonnées (XEtechnE, YEtechnE, ZEtechnE) tandis que le récepteur est mobile et ses positions et vitesses au temps k, respectivement (XRk, YRk, ZRk) et (VXRk, YRk, ZRk), de l’émetteur sont connues pour k variant de 1 à q à partir d’une date de référence, procédé caractérisé en ce qu’il comporte pour chaque échantillon n du signal émis au temps tn :
- une étape de calcul de la position (XtechnR, YtechnR, ZtechnR) du récepteur au temps tn ;
- une étape de calcul de la distance dn séparant l’émetteur du récepteur au temps tn - une étape de calcul de l’instant technR de début de l’arrivée au récepteur de cet échantillon et l’amplitude correspondante du signal reçu à partir des équations respectives suivantes :
Avec :
et
Avec :
Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte une étape de calcul de la position du récepteur lorsqu’il reçoit le nième échantillon du signal émis à partir de la formule suivante :
Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’il comporte une étape supplémentaire de vérification de l’exactitude de la position calculée du récepteur lorsqu’il reçoit le nième échantillon du signal émis, cette étape consistant à vérifier l’inégalité suivante :
puis, lorsque l’inégalité n’est pas vérifiée, à recommencer les étapes des revendications 5 et 6 en remplaçant Rk+1 par Rk+2, voire Rk+3, et ce, jusqu’à ce que l’inégalité soit vérifiée.