WO1997000566A2 - Surechantillonnage et interpolation pour modulateur multiporteur - Google Patents

Surechantillonnage et interpolation pour modulateur multiporteur Download PDF

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Jean-Jacques Monot
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04L27/00—Modulated-carrier systems
    • H04L27/26—Systems using multi-frequency codes
    • H04L27/2601—Multicarrier modulation systems
    • H04L27/2626—Arrangements specific to the transmitter only
    • H04L27/2627—Modulators
    • H04L27/2644—Modulators with oversampling

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for oversampling and frequency transposition of a digital radio signal of the type known by the Anglo-Saxon abbreviation DAB for "Digital Audio Broadcast” and as defined by the directives of the European project Eureka. relating to the installation of digital transmissions to replace the current emissions in frequency modulation for the diffusion of radio programs.
  • the DAB signal is supplied by the COFDM modulator by a standardized interface circuit WG 1-2, in the form of two digital channels I and Q carrying digital samples of signal coded on 8 bits and paced at a frequency of 2.048 MHz.
  • a translation of the DAB signal into an analog form is then carried out and the analog signal obtained is transposed in frequency to a determined carrier frequency, generally 1.5 GHz, before being amplified.
  • the solution which appears most direct to obtain this result consists in carrying out a digital analog transformation on each of the two channels I and Q and in carrying out a transposition on a carrier of each analog signal in baseband thus created.
  • the object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the subject of the invention is a method for oversampling and transposing in frequency a digital radio signal DAB modulated according to a COFDM modulation and sampled at a determined frequency Fe, for its transformation into an analog signal, characterized in what it consists of inserting between the successive samples of the DAB signal samples whose amplitude is interpolated between the values of samples neighboring the DAB signal and digitally transposing the signal samples obtained on an intermediate frequency under multiple of the frequency interpolated samples before converting them to analog form.
  • the invention also has the advantage of offering a mixed digital analog solution using only a limited number of components to effect the transformation into analog of the DAB signal and its transposition on the carrier frequency of the transmitter.
  • FIG. 1 a flowchart to illustrate a possibility of transformation according to the invention of a DAB signal into an analog signal by the implementation of an entirely digital processing method.
  • FIG. 2 an embodiment of a device for implementing the method illustrated by the diagram in FIG. 1.
  • Figure 3 a frequency response curve of a half-band filter used in the device of Figure 2.
  • FIG. 5 the temporal evolution of the signal processed inside the device represented in FIGS. 4a and 4b.
  • FIG. 6 the evolution of the spectrum of the signal observed at the various stages of the processing carried out by the device of FIGS. 4a and 4b.
  • Figures 7 to 12 the evolution of the spectrum of the DAB signal throughout the processing chain making up the device shown in Figures 4a and 4b.
  • steps 1 and 2 of the flowchart shown in Figure 1 offers a fully digital processing solution and avoids the problems encountered during the implementation of analog solutions.
  • the oversampling operation can be carried out by performing an interpolation filtering making it possible to reconstruct missing samples between successive samples of the DAB signal or else be carried out as shown in FIG. 1 by inserting in step 1 null samples in the digital stream composing the DAB signal in order to obtain the desired sampling frequency and by filtering in step 2 the train of digital signals obtained to suppress the image frequencies.
  • the embodiment of FIG. 2 makes it possible to pass from a DAB signal sampled at 2.048 MHz to a DAB signal oversampled at the frequency 16.384 MHz, by digital interpolation by a factor 8 of the DAB signal d 'origin.
  • This is obtained by interposing on the I and Q channels a set of 5 devices optionally each composed of one or more signal processing processors operating in parallel or by a configurable ASIC of the same type referenced from 3 to 7, allowing the insertion of null samples into a digital stream of samples and the digital filtering necessary to suppress the resulting image frequencies.
  • HSP 43216 component marketed by the law company of the United States of America HARRIS as a configurable ASIC.
  • This component has a half-band filter whose normalized frequency response has the characteristics shown in FIG. 3.
  • the association in series on each I and Q channel of two components referenced respectively 3, 4 and 5, 6 makes it possible to pass successively from a sampling frequency of 2.048 MHz to a frequency of 4.096 MHz at the output of components 3 and 5 then at a frequency 8.192 MHz at the output of components 4 and 6.
  • the device which is shown in FIG. 4a comprises an interface circuit 9 coupled to a COFDM modulator.
  • the interface circuit 9 applies on two channels I and Q samples clocked at 2.048 MHz on the corresponding inputs of a null sample insertion module 10.
  • This sample insertion module can be formed in a known manner using a stack of correctly timed digital registers to provide a flow of complex samples at 8.192 MHz on two channels I and Q.
  • This stream of samples is applied to the corresponding inputs of an interpolation module 11 composed, for example, by a component of the HP43216 type mentioned above and suitably programmed to perform successively, as shown in the block diagram of FIG. 4b, a factor 2 oversampling represented by blocks 14a, 14b, half-band digital filtering using finite impulse response filters represented by blocks 15a, 15b and transposition represented by block 16 on an equal intermediate frequency at 1/4 of the sampling frequency, i.e. 4.096 MHz for a sampling frequency of 16.384 MHz of the signal applied to it.
  • This transposition results from a nesting in the block . 16 sample suites, respectively ⁇ i 0 , i, ...
  • the transposed signal obtained is applied to a digital analog converter 12 sampled at the frequency 16.384 MHz, the output of which is filtered by an analog filter 13 of the Chebyschev type of order 8, for example, to -select the useful band of the signal in the different images generated by digital oversampling.
  • the analog signal thus obtained can then be applied to the input of a transmission chain of a broadcasting transmitter not shown, to be amplified and transposed to the carrier frequency of the transmitter.
  • the temporal evolution of the signal is shown in FIG. 5 as a function of the processing steps, observed at the places referenced from A to E on the device represented in FIGS. 4a and 4b and the corresponding spectral evolution is represented in FIGS. 6 to 12.
  • the signals at A in FIG. 4a are those obtained at the output of the interface module 9. They are formed as shown in FIG. 5 by a series of samples of variable amplitudes and clocked at the frequency of 2.048 MHz.
  • the corresponding spectrum of the sampled DAB signal represented in FIG. 7 has a baseband width of between - 1 MHz and + 1 MHz.
  • the insertion of null samples takes place in the manner shown at B in FIG. 5 by inserting, between two successive samples of the signals at A, three samples of zero amplitudes also spaced apart by a distance equal to a quarter of the period separating two samples of the signal at A.
  • This operation amounts to multiplying by 4 the frequency of the samples and artificially widening as shown in FIG. 6 by four times the width of the spectrum of the initial DAB signal.
  • the oversampling frequency is further doubled, which brings to eight the number of null samples inserted between two samples of the initial DAB signal.
  • This last operation is equivalent to multiplying by eight the width of the spectrum of the initial DAB signal as shown in Figure 8.
  • the signal appearing in D in FIG. 4b at the output of the half-band filters with infinite response corresponds to an interpolation between two non-zero samples of the signal obtained in C. Its spectral distribution which is shown in FIGS. 6 and 9 is between the frequencies - 4.096 MHz and + 4.096 MHz.
  • the signal obtained in D is then transposed in frequency by a module 16 on the frequency 4.096 MHz.
  • the resulting spectrum is shown at D ′ in FIG. 6.
  • the transposition operation generating image frequencies, the spectrum of the signal obtained at E at the output of the module 11 finally occupies a bandwidth between - 8.192 MHz and 8.192 MHz as this is shown in Figures 6 and 10.
  • the spectrum of the signal obtained in F on the output of the digital analog converter 12 is represented in FIGS. 6 and 12.
  • the spectrum of the signal selected in G by the filtering module 13 finally has the form represented in FIG. 11.
  • the Chebyschev filter which makes up the filtering module 13 and which, in the example described, has a bandwidth of 2.048 MHz centered on the frequency 4.096 MHz under a multiple of the frequency of the samples interpolated by the module 11, allows indeed a useful spectrum selection outside the spectra overlap zones or (aliazing zones in the English language) of the signal E represented in FIG. 6.

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Abstract

Le procédé consiste à insérer entre les échantillons de signal fourni par un modulateur (COFDM) des échantillons dont l'amplitude est interpolée (11) entre les valeurs des échantillons voisins du train numérique fourni et à transposer (11) numériquement les échantillons de signal obtenus sur une fréquence intermédiaire sous multiple de la fréquence des échantillons interpolés avant de procéder à leur conversion sous une forme analogique (12). Application: Emetteur de radiodiffusion numérique.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SURECHANTILLONNAGE ET DE TRANSPOSITION EN FREQUENCE D'UN SIGNAL RADIO NUMERIQUE.
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de suréchantillonnage et de transposition en fréquence d'un signal radio numérique du type connu sous l'abréviation anglo-saxonne DAB de "Digital Audio Broadcast" et tel que défini par les directives du projet européen Eurêka portant sur la mise en place de transmissions numériques en remplacement des actuelles émissions en modulation de fréquence pour la diffusion de programmes radio.
Ce choix du "tout numérique" pour la transmission d'émission radio permet, entre autres avantages, la fourniture de services complémentaires tels que bulletins météo, informations routières, suivi de programmes etc... A la base de ce projet, une nouvelle technique de modulation plus généralement connue sous l'abréviation anglo-saxonne COFDM de "Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex" et reposant sur l'émission simultanée de plusieurs porteuses disposées de manière orthogonale est préconisée. C'est ainsi qu'il est prévu dans chaque chaîne d'émission DAB, un modulateur COFDM pouvant regrouper un nombre déterminé de programmes numériques de haute qualité et permettant d'effectuer une modulation numérique des signaux correspondants. Le signal numérique qui est obtenu en sortie d'un modulateur COFDM est transposé en fréquence et est traduit sous la forme d'un signal analogique avant d'être appliqué à l'entrée de la chaîne d'amplification d'un émetteur de radio diffusion. Le signal DAB est fourni par le modulateur COFDM par un circuit d'interface normalisé WG 1-2, sous la forme de deux voies numériques I et Q transportant des échantillons numériques de signal codés sur 8 bits et rythmés à une fréquence de 2.048 MHz. Une traduction du signal DAB sous une forme analogique est ensuite effectuée et le signal analogique obtenu est transposé en fréquence sur une fréquence porteuse déterminée, généralement de 1 ,5 GHz, avant d'être amplifié. La solution qui apparaît la plus directe pour obtenir ce résultat consiste à effectuer une transformation numérique analogique sur chacune des deux voies I et Q et à effectuer une transposition sur une porteuse de chaque signal analogique en bande de base ainsi créé. Cependant bien que peu onéreuse à développer, cette solution est encore imparfaite car elle ne permet pas de garantir une parfaite linéarité de la transformation des signaux numériques en analogique ainsi qu'une parfaite symétrie dans le comportement électrique de chacune des voies, ce qui dans ce cas risque de détruire la modulation. Elle ne permet pas non plus d'envisager la mise en place de dispositifs de précorrection du gain d'amplification des signaux numérique. Le but de l'invention est de palier les inconvénients précités.
A cet effet, l'invention a pour objet, un procédé de suréchantillonnage et de transposition en fréquence d'un signal radio numérique DAB modulé suivant une modulation COFDM et échantillonné à une fréquence déterminée Fe, pour sa transformation en un signal analogique, caractérisé en ce qu'il consiste à insérer entre les échantillons successifs du signal DAB des échantillons dont l'amplitude est interpolée entre les valeurs d'échantillons voisins du signal DAB et à transposer numériquement les échantillons de signal obtenus sur une fréquence intermédiaire sous multiple de la fréquence des échantillons interpolés avant de procéder à leur conversion sous une forme analogique.
L'invention a aussi pour avantage d'offrir une solution mixte numérique analogique n'utilisant qu'un nombre limité de composants pour effectuer la transformation en analogique du signal DAB et sa transposition sur la fréquence porteuse de l'émetteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des figures des dessins annexés qui représentent :
La figure 1 un organigramme pour illustrer une possibilité de transformation selon l'invention d'un signal DAB en un signal analogique par la mise en oeuvre d'un procédé de traitement entièrement numérique.
La figure 2 un mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé illustré par le schéma de la figure 1.
La figure 3 une courbe de réponse en fréquence d'un filtre demi- bande mis en oeuvre dans le dispositif de la figure 2. Les figures 4a et 4b des schémas blocs pour illustrer un deuxième mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention.
La figure 5 l'évolution temporelle du signal traité à l'intérieur du dispositif représenté aux figures 4a et 4b.
La figure 6 l'évolution du spectre du signal observé aux différentes étapes du traitement effectué par le dispositif des figures 4a et 4b. Les figures 7 à 12 l'évolution du spectre du signal DAB tout au long de la chaîne de traitement composant le dispositif représenté aux figures 4a et 4b.
Le procédé illustré par les étapes 1 et 2 de l'organigramme représenté à la figure 1 offre une solution de traitement entièrement numérique et permet d'éviter les problèmes rencontrés lors de la mise en oeuvre des solutions analogiques.
Il consiste à effectuer une traduction du signal appliqué sur chacune des voies I et Q, après avoir effectué une transposition du signal en bande de base vers une fréquence intermédiaire obtenue par suréchantillonnage du signal DAB. L'opération de suréchantillonnage peut être réalisée en effectuant un filtrage par interpolation permettant de reconstituer des échantillons manquants entre échantillons successifs du signal DAB ou encore être réalisée comme le montre la figure 1 en insérant à l'étape 1 des échantillons nuls dans le flot numérique composant le signal DAB afin d'obtenir la fréquence d'échantillonnage voulue et en filtrant à l'étape 2 le train de signaux numériques obtenu pour supprimer les fréquences images.
A titre d'exemple, le mode de réalisation de la figure 2 permet de passer d'un signal DAB échantillonné à 2,048 MHz à un signal DAB suréchantillonné à la fréquence 16, 384 MHz, par interpolation numérique par un facteur 8 du signal DAB d'origine. Ceci est obtenu en interposant sur les voies I et Q un ensemble de 5 dispositifs composés éventuellement chacun d'un ou plusieurs processeurs de traitement du signal fonctionnant en parallèle ou encore par un ASIC configurable de même type référencés de 3 à 7, permettant l'insertion d'échantillons nuls dans un flot numérique d'échantillons et le filtrage numérique nécessaire pour supprimer les fréquences images qui en résultent.
A titre d'exemple, il est possible d'utiliser comme un ASIC configurable le composant HSP 43216 commercialisé par la société de droit des Etats-Unis d'Amérique HARRIS. Ce composant possède un filtre demi- bande dont la réponse en fréquence normalisée présente les caractéristiques représentées à la figure 3. L'association en série sur chaque voie I et Q de deux composants référencés respectivement 3, 4 et 5, 6 permet de passer successivement d'une fréquence d'échantillons de 2,048 MHz à une fréquence de 4,096 MHz en sortie des composants 3 et 5 puis à une fréquence 8,192 MHz en sortie des composants 4 et 6. Un cinquième composant identique au précédent et portant la référence 7 sur la figure 2 multiplexe les signaux suréchantillonnés obtenus en sortie des composants 4 et 6 et après les avoir suréchantillonnés par 2 du résultat obtenu afin d'obtenir un train de signaux à 16,384 MHz. Cette opération permet d'effectuer une transposition numérique sur la fréquence quart de la fréquence d'échantillonnage et d'obtenir un signal réel, le composant 7 correspondant étant configuré de manière identique à celle du composant 11 de la figure 4b. Un convertisseur numérique analogique 8 placé à la sortie du composant 7 permet la transformation du signal numérique ainsi obtenu en un signal analogique avec une bande passante 16,384 MHz.
Bien que performant le mode de réalisation précédent présente cependant l'inconvénient d'être relativement onéreux à réaliser et il lui est préféré selon un autre mode de réalisation de l'invention, représenté aux figures 4a et 4b, une structure mixte numérique/analogique qui ne nécessite plus d'effectuer un filtrage numérique pour supprimer les fréquences images qui apparaissent après chaque interpolation du signal. A cette fin, le dispositif qui est représenté à la figure 4a comporte un circuit d'interface 9 couplé à un modulateur COFDM. Le circuit d'interface 9 applique sur deux voies I et Q des échantillons cadencés à 2,048 MHz sur les entrées correspondantes d'un module d'insertion d'échantillons nuls 10. Ce module d'insertion d'échantillons peut être formé de façon connue à l'aide d'une pile de registres numériques correctement cadencés pour fournir sur deux voies I et Q un flot d'échantillons complexes à 8,192 MHz. Ce flot d'échantillons est appliqué sur les entrées correspondantes d'un module d'interpolation 11 composé par exemple, par un composant du type HP43216 cité précédemment et convenablement programmé pour effectuer successivement, comme le montre le schéma bloc de la figure 4b, un suréchantillonnage d'un facteur 2 figuré par les blocs 14a, 14b, un filtrage numérique demi-bande à l'aide de filtres à réponse impulsionnelle finie figuré par les blocs 15a, 15b et une transposition figurée par le bloc 16 sur une fréquence intermédiaire égale au 1/4 de la fréquence d'échantillonnage, soit 4,096 MHz pour une fréquence d'échantillonnage de 16, 384 MHz du signal qui lui est appliqué. Cette transposition résulte d'une imbrication dans le bloc . 16 des suites d'échantillons, respectivement {i0,i,...in}et {q0,q-|...qn} transmis à la fréquence de 16,384 MHz par les filtres demi-bandes des blocs 15a et 15b composant les voies I et Q. L'imbrication a lieu en groupant par paire un échantillon sur deux de la voie I avec l'échantillon suivant de la voie Q en inversant alternativement le signe des paires de manière à obtenir la suite
|'o-qι.-i2.-q3.'n.q5.-'6.-q7--(-ι)nin-ι. (-ι)πqn}-
Le signal transposé obtenu est appliqué à un convertisseur numérique analogique 12 échantillonné à la fréquence 16,384 MHz, dont la sortie est filtrée par un filtre analogique 13 de type Chebyschev d'ordre 8, par exemple, pour -sélectionner la bande utile du signal dans les différentes images générées par le suréchantillonnage numérique.
Le signal analogique ainsi obtenu peut alors être appliqué à l'entrée d'une chaîne d'émission d'un émetteur de radiodiffusion non représenté, pour être amplifié et transposé sur la fréquence porteuse de l'émetteur. L'évolution temporelle du signal est montrée sur la figure 5 en fonction des étapes de traitement, observées aux endroits référencés de A à E sur le dispositif représenté aux figures 4a et 4b et l'évolution spectrale correspondante est représentée aux figures 6 à 12.
Les signaux en A sur la figure 4a sont ceux obtenus en sortie du module d'interface 9. Ils sont formés comme le montre la figure 5 par une suite d'échantillons d'amplitudes variables et cadencés à la fréquence de 2,048 MHz. Le spectre correspondant du signal DAB échantillonné représente sur la figure 7 a une largeur en bande de base comprise entre - 1 MHz et + 1 MHz. L'échantillonnage du signal DAB conduit comme le montre la figure 6 à une suite de spectres répétés à la fréquence d'échantillonnage Fe = 2,048 MHz. L'insertion d'échantillons nuls a lieu de la façon représentée en B sur la figure 5 en insérant, entre deux échantillons successifs des signaux en A, trois échantillons d'amplitudes nulles également espacés entre eux d'une distance égale au quart de la période séparant deux échantillons du signal en A. Cette opération revient à multiplier par 4 la fréquence des échantillons et à élargir artificiellement comme le montre la figure 6 de quatre fois la largeur du spectre du signal DAB initial. En C sur la figure 4b la fréquence de suréchantillonnage est encore doublée ce qui porte à huit le nombre d'échantillons nuls insérés entre deux échantillons du signal DAB initial. Cette dernière opération revient à multiplier par huit la largeur du spectre du signal DAB initial comme le montre la figure 8.
Le signal apparaissant en D sur la figure 4b en sortie des filtres demi-bande à réponse infinie correspond à une interpolation entre deux échantillons non nuls du signal obtenu en C. Sa répartition spectrale qui est montrée aux figures 6 et 9 est comprise entre les fréquences - 4,096 MHz et + 4,096 MHz. Le signal obtenu en D est ensuite transposé en fréquence par un module 16 sur la fréquence 4,096 MHz. Le spectre résultant est montré en D' sur la figure 6. L'opération de transposition générant des fréquences images, le spectre du signal obtenu en E à la sortie du module 11 occupe finalement une bande passante comprise entre - 8,192 MHz et 8,192 MHz comme cela est montré sur les figures 6 et 10.
Le spectre du signal obtenu en F sur la sortie du convertisseur numérique analogique 12 est représenté sur les figures 6 et 12. Le spectre du signal sélectionné en G par le module de filtrage 13 a finalement la forme représentée à la figure 11. On peut voir sur la figure 6 que le filtre de Chebyschev qui compose le module de filtrage 13 et qui a dans l'exemple décrit une bande passante de 2,048 MHz centrée sur la fréquence 4,096 MHz sous multiple de la fréquence des échantillons interpolés par le module 11 , permet bien une sélection de spectre utile en dehors des zones de recouvrement de spectres ou (zones d'aliazing dans le langage anglo- saxon) du signal E représenté à la figure 6.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de suréchantillonnage et de transposition en fréquence d'un signal radio numérique DAB modulé suivant une modulation COFDM et échantillonné à une fréquence déterminée Fe, pour sa transformation en un signal analogique, caractérisé en ce qu'il consiste à insérer (10,11) entre les échantillons successifs du signal DAB des échantillons dont l'amplitude est interpolée (11) entre les valeurs d'échantillons voisins du signal DAB et à transposer (11) numériquement les échantillons de signal obtenus sur une fréquence intermédiaire sous multiple de la fréquence des échantillons interpolés avant de procéder à leur conversion sous une forme analogique (12).
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste à insérer (10) des échantillons d'amplitude nulle dans la séquence des échantillons du signal DAB avant le calcul de leur amplitude par interpolation.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il consiste à filtrer (13) le signal résultant de l'interpolation pour éliminer la fréquence image du dernier rang d'interpolation.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 caractérisé en ce qu'il consiste à traduire (11) un signal DAB numérique échantillonné à 2,048 MHz en un signal analogique transposé sur une fréquence intermédiaire de 4,096 MHz.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste pour effectuer l'interpolation (11) à multiplier par 8 le nombre d'échantillons du signal DAB fourni par la modulation COFDM.
6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer (11) un filtrage demi-bande du signal interpolé pour éliminer la fréquence image du dernier rang d'interpolation.
7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il consiste
(11) à prendre pour fréquence intermédiaire le quart de la fréquence des échantillons interpolés sur les voies I et Q de la modulation OFDM en prenant alternativement un échantillon sur 2 et en effectuant un changement de signe d'un échantillon sur deux.
8. Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la conversion en analogique du signal est synthétisée à une fréquence 16,384 MHz.
9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il consiste à filtrer les échantillons de signal analogique dans une bande de fréquence centrée autour d'une fréquence intermédiaire de 4,096 MHz.
10. Dispositif de suréchantillonnage et transposition en fréquence d'un signal radio numérique DAB modulé suivant une modulation COFDM caractérisé en ce qu'il comporte un module d'insertion d'échantillons nuls (10) dans la suite des échantillons du signal DAB couplé à un convertisseur numérique analogique (12) par l'intermédiaire d'un module (11) d'interpolation d'échantillons, de filtrage demi-bande et de transposition ainsi qu'un module de filtrage analogique (13) couplé à la sortie du convertisseur numérique analogique (12) pour sélectionner la bande utile du signal DAB suréchantillonné parmi toutes les fréquences images.
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PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 940, no. 011 & JP 06 326739 A (SHARP CORP), 25 Novembre 1994, *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 950, no. 003 & JP 07 066793 A (SHARP CORP), 10 Mars 1995, *

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