WO2003015270A2 - Method for determining filtering coefficients of a modulated filter bank, prototype filter, modulated filter bank, terminal and corresponding uses - Google Patents

Method for determining filtering coefficients of a modulated filter bank, prototype filter, modulated filter bank, terminal and corresponding uses Download PDF

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WO2003015270A2
WO2003015270A2 PCT/FR2002/002537 FR0202537W WO03015270A2 WO 2003015270 A2 WO2003015270 A2 WO 2003015270A2 FR 0202537 W FR0202537 W FR 0202537W WO 03015270 A2 WO03015270 A2 WO 03015270A2
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filter coefficients
space
prototype
determining
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Didier Pinchon
Pierre Siohan
Cyrille Siclet
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France Telecom
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H17/00Networks using digital techniques
    • H03H17/02Frequency selective networks
    • H03H17/0248Filters characterised by a particular frequency response or filtering method
    • H03H17/0264Filter sets with mutual related characteristics
    • H03H17/0266Filter banks

Definitions

  • the field of the invention is that of digital filtering, and more precisely of modulated filter banks.
  • the invention relates to the determination of the prototype function of such modulated filter banks.
  • Modulated filter banks constitute a particularly important family of the family of filter banks. Their two main advantages are: the possibility of implantation using fast algorithms using polyphase decompositions and fast transforms of DCT type ("Discrtica Cosine Transform", in French: transformed into discrete cosine) for what concerns benches modulated in cosine, or DFT type ("Discrete Fourier Transform", in French: discrete Fourier transform) for benches modulated by complex exponentials; a design method which for a given type of transform (DCT or DFT) involves only one or two prototype filters. Their applications are potentially very numerous.
  • DCT Discrtica Cosine Transform
  • DFT discrete Fourier Transform
  • the maximum length treated is 110.
  • the number of carriers can be more than a hundred, or even a few thousand, and that the length of the prototype is, in general, a multiple ranging from 1 to 4 of the number of carriers. It therefore appears necessary to have rapid and efficient calculation methods.
  • the prototype filters are obtained by truncation of the support in time then discretization of continuous functions which verify the condition of orthogonality in continuous time on a support of infinite duration.
  • a defect of this technique is that, in discrete, the orthogonality is checked only approximately, and a prototype considered as optimal in continuous time for a given criterion is no longer necessarily it in the discrete case.
  • IOTA function Isotropic Orthogonal Transform Algorithm [9] for the realization in digital form of an OFDM / OQAM modem.
  • back-to-back filter bank for example the modem taken in isolation for a transmission system, checks approximately. perfect reconstruction condition.
  • the discrete counterpart of the continuous orthogonalisation as it is produced by the IOTA process is based on a so-called Zak transform. From an initial prototype of given length, we obtain a prototype of double length which checks the conditions of orthogonality. However, in this case, the calculation takes into account only the orthogonality constraints and does not really allow optimization of a precise criterion.
  • the filter banks calculated in this way use parametric representations, for example in the form of a scale (in biorthogonal) or lattice (in orthogonal), which by construction will guarantee that the reconstruction is perfect.
  • OFDM / OQAM or BFDM / OQAM with several hundred or thousands of carriers.
  • the invention relates more particularly to the last category of solution.
  • An objective of the invention is to make it possible to synthesize prototypes with several hundreds or thousands of coefficients.
  • the invention particularly aims to overcome these drawbacks of the state of the art.
  • an objective of the invention is to provide a method for calculating prototype filters, as well as prototype filters and corresponding modulated filter banks, which are quasi-optimal for predetermined optimization criteria.
  • An objective of the invention is thus to provide such prototype filters, the lengths of which are clearly greater than the lengths which can be processed hitherto by known optimization methods.
  • OFDM / OQAM it is necessary to calculate prototypes for systems comprising more than 2048 carriers.
  • BFDM / OQAM where the 2048 length cap for a system with 512 carriers was difficult to reach according to the prior art
  • the invention aims in particular to allow the processing of systems of length 8192 with 2048 carriers , for example in a reasonable calculation time.
  • Another objective of the invention is to ensure, for a given prototype length, incomparably shorter computation times than with known optimization methods.
  • the invention also aims to provide such prototype filters, which can be implemented easily and efficiently in terminals.
  • the method for determining filter coefficients of the invention further comprises a step:
  • said optimization is calculated for at least two values of M which are powers of 2.
  • said optimization of said step (c) is calculated by taking into account at least one fixed value for at least one annex parameter A.
  • the said additional parameter (s) A may in particular include a fixed deadline.
  • said analysis takes account of at least one of the properties belonging to the group comprising: the linearity of the phase; the continuity of the parameters from one polyphase component to another; belonging to a predetermined range of angular parameters; - continuity and / or derivability properties of limit curves, when the length tends to infinity.
  • the method of the invention comprises, after said step (c), a step of:
  • the method for determining the filter coefficients of the invention also advantageously comprises, after said step (f), a step of: (g) checking and / or optimizing the interpolated values for the corresponding problem ⁇ P, M, L ⁇ or ⁇ R, M, L ⁇ .
  • the one or more predetermined criteria to be optimized may in particular belong to the group comprising: location in time and / or in frequency; minimization of out-of-band energy.
  • at least one function, called code is implemented, associating with an optimal prototype filter P (z) an approximate representation P x (z) of said optimal prototype filter P (z), expressed using said second set of parameters.
  • said modulated filter bank is used for the implementation of a multicarrier modulation system.
  • Said multicarrier modulation is an OFDM / OQAM modulation or a BFDM / OQAM modulation.
  • said codes are respectively: - for said space R ⁇ o : code n ° 0:
  • said code No. 2 can be used with degree 8.
  • said interpolation step (f) implements a sub-step of searching for a polynomial of degree in log 2 M approaching, in the least squares sense, all of the values already stored.
  • said second space advantageously belongs to the group comprising: a space R ⁇ l consisting of polynomials of degree less than or equal to K1, K> 0, represented by their coefficients; a space R K2 consisting of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, represented by their Chebyshev development; a space R ⁇ 3 made up of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, satisfying ; a space R ⁇ 4 made up of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, satisfying represented by their development of Chebyshev.
  • said optimization step (c) implements a local optimization algorithm and / or a genetic global minimization algorithm.
  • said prototype function is described using lattice representations, or in scale, in the form of a function a (t) such that: for code n ° 1:
  • T ⁇ are the Chebyshev polynomials; for code n ° 3:
  • the invention also relates to: - the prototype filters for modulated filter banks, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining the filter coefficients described above; the modulated filter banks formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method for determining the filter coefficients described above; the terminals for receiving a multicarrier signal, implementing a bank of modulated filters formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining filter coefficients described above.
  • the invention also relates to the applications of a modulated filter bank formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining the filter coefficients described above in at least one of the domains belonging to the group including: BFDM / OQAM type multicarrier modulation; OFDM / OQAM type multicarrier modulation; coding in sub-bands. 4.
  • a modulated filter bank formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining the filter coefficients described above in at least one of the domains belonging to the group including: BFDM / OQAM type multicarrier modulation; OFDM / OQAM type multicarrier modulation; coding in sub-bands. 4.
  • Preferential embodiments Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description of preferential embodiments of the invention, given by way of simple illustrative and nonlimiting examples, and of the figures. appended, among which: FIG.
  • FIGS. 3A to 3D show the coefficients ⁇ ⁇ (as a function of
  • FIG. 8 is a simplified flowchart showing the general principle of the method of the invention.
  • the invention therefore relates in particular to a method for rapidly calculating a prototype filter with real coefficients, noted p (n), where for a filter of length L, n is an integer between 0 and Ll.
  • the coefficients p (n) must optimize a given criterion and verify biorthogonality or orthogonality conditions.
  • appendix 1 we present in detail two criteria (time-frequency localization and minimization of out-of-band energy) that can be retained, as well as the biorthogonality conditions which apply to different families of modulated filter banks.
  • the method of the invention applies to a very large set of modulated filter banks. It can be suitable, in particular, for any system for which equations (10) to (13) (appendix 1) constitute sufficient conditions for the property of perfect reconstruction: modulated banks of type DCT II and IV and of type MDFT I and II, oversampled BFDM / OQAM and BFDM / QAM modulators [17], etc.
  • Verification 131 for the small values of M, that the resolution of this problem, noted ⁇ R, M, L), produces an undegraded optimum, compared to that obtained for the problem ⁇ P, M, L ⁇ .
  • a set R of parameters which makes it possible to validate steps 1 to 4 constitutes a compact representation which satisfies the conditions required for our method of reducing the space of parameters.
  • the objective is to obtain an approximate representation P x (z) of the optimal prototype filter P (z) using a reduced set of parameters ⁇ xf ⁇ k ⁇ Kp ⁇ i ⁇ ml ⁇ .
  • the prototype filter P (z) is said, in the present patent application, coded by the (f) k , 0 , .. jc-i o r ..jn- ⁇ and the application is called a code. K is called the degree of the code.
  • the OFDM prototypes thus coded are coded using mK parameters, and they are said to be represented in compact form. It is generally impossible to represent a prototype filter in compact form for a given code. However, the observation of the properties of the optimal filters, for a given criterion, shows that they belong to subsets of prototype filters
  • OFDM can be represented in compact form for a certain code.
  • the search for optimal filters, for longer lengths can be done in the set of filters that can be represented in compact form for this code.
  • the number of parameters for the optimization problem is considerably reduced.
  • the choice of a base B (p ⁇ , ..., p ⁇ ) determines the choice of variables in the optimization problem.
  • Appendix 3 presents three examples of codes that can advantageously be used. Of course, other codes can be considered. 4.2.2.3 Optimization of the compact form
  • N f is the number of calls to the objective function. It is clear that the gains in speed only exist for M ⁇ 16, that is to say from the moment one begins to need it.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate forms of responses typical of optimal solutions respectively for the location and out-of-band energy criteria.
  • the values of m are the integer values between 1 and 4 and those of M correspond to all the powers of 2 of the integers between 3 and 12.
  • Examination of the angular coefficients and the optimum reveals a very regular behavior of the parameters of the compact representation as a function of M when M describes a set of powers of 2 successive.
  • Tables 3 and 4 show the results of the interpolation for intermediate values of M.
  • the relative difference, noted ⁇ is very small between the interpolated solutions, which are obtained almost instantaneously, and the optimal solutions .
  • Interpolation on an 11 M scale could significantly improve the interpolation results which are of lower quality.
  • the coefficients of the scale representation are not angles. These are real parameters, without periodic behavior, and it is therefore not necessary to use a function like the function ⁇ .
  • the gains in computation time of the compact form BFDM appear as soon as K ⁇ M / 2. Furthermore, the results obtained in BFDM have a particularity when we consider the criterion of localization.
  • a single parameter allows a type distinction to be made by its values, either close to 0 for a non-defective solution or close to 1 for a defective solution.
  • This method makes it possible to deal with problems of dimension, in number of sub-bands and length of the prototype, never reached. It is characterized in particular by: - the process of reducing parameters;
  • the choice of the optimization criteria for the prototype filters generally depends on the type of application envisaged. In the case of a transmission system in a static channel like that of ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), a usual choice is to minimize the out-of-band energy.
  • the modeling model corresponds to a time-varying filter, the channel is then dispersive in time and frequency. In this case, where the time and frequency dimension are also important, M. Alard [8] has shown that the time-frequency location criterion is essential.
  • Gaussian function is the reference in terms of time-frequency localization where it reaches the limit fixed by the principle of uncertainty.
  • the location criterion has the particularity of being invariant by translation in time and frequency. This property has important consequences, which allows us in particular to identify a class of optimal solutions which is obtained directly from the function x pi . This important particular case is dealt with in Annex 5.
  • the second criterion that we consider is that of the minimization of the weighted standard of the frequency error.
  • the weighting function, denoted W ( ⁇ ), is defined by
  • the conditions for perfect reconstruction of a modulated system, of the filter bank or transmultiplexer type can generally be expressed as a function of the polyphase components of the prototype filter, p (n) of transform into z, P (z).
  • P (z) For example for a BFDM system, or OFDM, with 2M subcarriers, P (z) can be written in the form
  • G ⁇ (z) are the polyphase components of order 2, according to which it is possible to write the conditions of perfect reconstruction for orthogonal or biorthogonal systems.
  • the conditions to be achieved according to the value of d can be directly satisfied if they are imposed on the coefficients p (n) of the prototype filter. For a given criterion, we then arrive at an optimization problem under constraints. It is also possible to take advantage of an embodiment structure, called a ladder, which guarantees by construction that the prototype filter will satisfy the conditions of biorthogonality. In this case we are reduced, for a given criterion, to an optimization problem without constraints. This is the approach we have developed.
  • D '1 (22) 0 1 with c 0 and do real numbers.
  • the corresponding scale diagrams are shown in figure 2.
  • This reconstruction condition in the orthogonal case, which is that of OFDM / OQAM systems with 2M subcarriers [3] is also that of banks modulated in cosine with M sub-bands [7].
  • the lattice representation therefore also makes it possible to reduce the dimension of the parameter space, while ensuring the properties of orthogonality and completeness, we will therefore take it as a reference in the orthogonal case.
  • APPENDIX 2 The BFDM / OQAM application context
  • the real biorthogonality conditions are realized if one demodulates on a base ⁇ m , n ⁇ such that ⁇ 7 m , n> 7 m , n ⁇ constitutes a pair of biorthogonal bases.
  • modulation and demodulation equations can also be in the form of. filter banks.
  • the BFDM modulation system corresponds to a synthesis bench.
  • D - aM - b with ⁇ and b positive integers, we can define a set of 2M filters (0 ⁇ m ⁇ 2M - 1), which correspond to the analysis bench that we can use for demodulation
  • Theorem 1 - Let M be even, m> 1 integer, s integer in the interval 0 .. m— 1 and ⁇ > 0, there is a prototype BFDM filter P (z) with parameters M, m and s satisfying ⁇ mod [ P)> 1- ⁇ .
  • the ordinate of the curves in FIG. 13 represents the base 10 logarithm of the absolute value of the relative error committed for the location by replacing the optimal filter, for a value of M 'given on the abscissa, by the filter obtained by the process described above. 5
  • the opposite of this ordinate therefore represents, continuously, the number of exact decimal places in obtaining the optimal cost.
  • Figure 14 shows similar calculations for the out-of-band energy cost function and allows identical conclusions to be drawn. This property can then be used to calculate, as in section 1.1, analytical expressions for the transverse coefficients. 5
  • the coefficients h u l - 0,. . . , 2M - 1 can be represented as the values of a function defined on the interval [—1, + 1].
  • The. Function ⁇ (t), i € [0,0.5] depends on the 8 parameters x 0 , X ⁇ ,. . . , x & de la. compact representation for code 2, degree 8 by the formula
  • FIG. 16 represents the relative errors made when these functions are used to calculate the optimal filters for localization.
  • C * the curve relative to ⁇ * (t)
  • C the curve relative to 0 ⁇ (t)
  • Figure 17 is the analog of Figure 15.
  • a function of E m is a prototype function with parameter m.
  • E x is the set of continuous functions h on [—1, -1- 1] twice continuously differentiable, except possibly in -, 0, and 0 h, h ', h "have left and right limits in -, 0,, right in -1, left in 1.
  • h be a prototype function of E m .
  • h is of OFDM class if, for all M, the PM filter (Z) is a symmetrical OFDM prototype filter.
  • the following theorem shows how the trellis representation of the OFDM prototype filters gives a characterization of the structure of the OFDM prototype functions of E m using m angular functions.
  • the evaluation of the integral of / is ⁇ - exact if / is a polynomial of degree less than or equal to 2n - 1.
  • P k (u i ) and P h (u) are Gauss-Legendre weights depending on the place of Ui and U j in the subdivision of one of the length intervals.
  • the ai j are the coefficients of a symmetric matrix A of order 2mn which does not depend on h but only on n and on the weight function W (a). We therefore evaluate once and for all the value of its coefficients before optimizing the cost function.
  • the vector V (h (uo), h (u ⁇ ),..., H (u mn - ⁇ ) of length 2mn is evaluated for given values of the parameters of the optimization problem and the function Jw ⁇ h) is given by
  • TAB. 4 Verification, with the energy criterion, of the performance of rapid interpolation.
  • TAB. 8 Best out-of-band energy ( ⁇ / M, ⁇ ) obtained for s ⁇ 1 and code 2, degree 3, by the dega_kbfdm program.
  • TAB 9 - Better optimization of out-of-band energy for OFDM prototype functions with parameter m.
  • Siohan (Pierre) and Lacaille (Nicolas). Analysis of OFDM / OQAM Systems based on the filterbank theory. In: IEEE Global Communications ConfInter, GLOBECOM'99. - Rio de Janeiro, Brazil, December 1999. 10 [4] Siohan (Pierre) and Roche (Christian). - Cosine-modulated filterbanks based on extended gaussian functions. IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 48, n ° 11, November 2000, pages 3052-3061.

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Abstract

The invention concerns a method for determining filtering coefficients of a modulated filter bank, based on a prototype filter of length L designed to produce a modulated system with M sub-bands, comprising the following steps: (a) determining, for at least two low values of M, based on a first parameter space P, of a set of first filtering coefficients, for at least a predetermined criterion to be optimised; (b) analysing said set(s) of first filtering coefficients, so as to determine a subset of corresponding filters, with which is associated a second parameter space R, enabling another representation of said filters; (c) optimising a second set of filtering coefficients, for at least two values of M and at least one value of L, using said second parameters space R; (e) storing at least one of said second sets of filtering coefficients.

Description

Procédé de détermination de coefficients de filtrage d'un banc de filtres modulé, filtre prototype, banc de filtres modulé, terminal et application correspondants. Y. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui du filtrage numérique, et plus précisément des bancs de filtres modulés. En particulier, l'invention concerne la détermination de la fonction prototype de tels bancs de filtres modulés. Method for determining the filter coefficients of a modulated filter bank, prototype filter, modulated filter bank, terminal and corresponding application. Y. Field of the invention The field of the invention is that of digital filtering, and more precisely of modulated filter banks. In particular, the invention relates to the determination of the prototype function of such modulated filter banks.
Les bancs de filtres modulés constituent une famille particulièrement importante de la famille des bancs de filtres. Leurs deux principaux avantages sont : la possibilité d'implantation à l'aide d'algorithmes rapides utilisant des décompositions polyphasés et des transformées rapides de type DCT ("Discrète Cosine Transform", en français : transformée en cosinus discret) pour ce qui concerne les bancs modulés en cosinus, ou de type DFT ("Discrète Fourier Transform", en français : transformée de Fourier discrète) pour les bancs modulés par des exponentielles complexes ; une méthode de design qui pour un type de transformée donnée (DCT ou DFT) ne fait intervenir qu'un ou deux filtres prototypes. Leurs applications sont potentiellement très nombreuses.Modulated filter banks constitute a particularly important family of the family of filter banks. Their two main advantages are: the possibility of implantation using fast algorithms using polyphase decompositions and fast transforms of DCT type ("Discrète Cosine Transform", in French: transformed into discrete cosine) for what concerns benches modulated in cosine, or DFT type ("Discrete Fourier Transform", in French: discrete Fourier transform) for benches modulated by complex exponentials; a design method which for a given type of transform (DCT or DFT) involves only one or two prototype filters. Their applications are potentially very numerous.
Ils sont en effet adaptés à la réception multiporteuse, aux transmultiplexeurs, au codage en sous-bandes,...They are in fact suitable for multi-carrier reception, transmultiplexers, coding in sub-bands, ...
Ainsi, dans le domaine des communications numériques, les déposants de la présente demande de brevet ont mis en évidence le formalisme banc de filtres modulés pour des systèmes de modulation multiporteuse utilisant pour chaque porteuse une modulation d'amplitude en quadrature avec offset (OQAM). Il s'agit dans le cas biorthogonal [1, 2] (pour simplifier la lecture, les différentes références citées sont regroupées en annexe 9), de la modulation BFDM/OQAM, (BFDM : "Biorthogonal Frequency Division Multiplex") et dans le cas orthogonal [3] de l'OFDM/OQAM (OFDM : "Orthogonal Frequency Division Multiplex"). Dans ces différents travaux, il est aussi démontré que le problème de calcul du (ou des) filtre(s) prototype(s) est identique à celui que l'on rencontre pour les systèmes de codage en sous-bande orthogonaux ou biorthogonaux. Une autre application potentielle concerne donc le codage audio à réduction de débit avec éventuellement des possibilités d'amélioration, en orthogonal [4], ou en biorthogonal [5], d'une norme de type MPEG1 (Moving Picture Expert Group) [6]. 2. Etat de l'artThus, in the field of digital communications, the applicants of this patent application have highlighted the formalism of modulated filter bank for multicarrier modulation systems using for each carrier an amplitude modulation in quadrature with offset (OQAM). In the biorthogonal case [1, 2] (to simplify the reading, the various references cited are grouped in appendix 9), the BFDM / OQAM modulation, (BFDM: "Biorthogonal Frequency Division Multiplex") and in the orthogonal case [3] of OFDM / OQAM (OFDM: "Orthogonal Frequency Division Multiplex"). In these various works, it is also demonstrated that the problem of calculating the prototype filter (s) is identical to that encountered for orthogonal or biorthogonal sub-band coding systems. Another potential application therefore relates to bit rate reduction audio coding with possible possibilities of improvement, in orthogonal [4], or in biorthogonal [5], of a standard of MPEG1 type (Moving Picture Expert Group) [6] . 2. State of the art
Les principes de base des bancs de filtres modulés sont notamment décrits dans [7, Chapitre 8]. Il est en particulier montré que le design du filtre prototype conduit à un problème non linéaire dont la complexité croît avec la longueur du prototype.The basic principles of modulated filter banks are described in particular in [7, Chapter 8]. It is shown in particular that the design of the prototype filter leads to a non-linear problem whose complexity increases with the length of the prototype.
Dans les exemples présentés dans cette référence, la longueur maximale traitée est de 110. Or on sait bien que, pour des systèmes de transmission multiporteuse, le nombre de porteuses peut être de plus d'une centaine, voire de quelques milliers, et que la longueur du prototype est, en général, un multiple allant de 1 à 4 du nombre de porteuses. Il apparaît donc nécessaire de disposer de méthodes de calcul rapides et efficaces.In the examples presented in this reference, the maximum length treated is 110. However, it is well known that, for multicarrier transmission systems, the number of carriers can be more than a hundred, or even a few thousand, and that the length of the prototype is, in general, a multiple ranging from 1 to 4 of the number of carriers. It therefore appears necessary to have rapid and efficient calculation methods.
On rappelle à présent différentes catégories de solutions qui peuvent être envisagées pour résoudre ce problème. On considère ici le cas le plus fréquent qui est celui où la mise en forme du signal est réalisée par un filtre prototype de type RIF (Réponse Impulsionnelle Finie).We now recall different categories of solutions that can be envisaged to solve this problem. We consider here the most frequent case which is that where the shaping of the signal is carried out by a prototype filter of type RIF (Finite Impulse Response).
2.1 Catégorie 1 : Utilisation de fonctions continues2.1 Category 1: Use of continuous functions
Dans ce cas les filtres prototypes sont obtenus par troncature du support en temps puis discrétisation de fonction continues qui vérifient la condition d'orthogonalité en temps continu sur un support de durée infinie.In this case the prototype filters are obtained by truncation of the support in time then discretization of continuous functions which verify the condition of orthogonality in continuous time on a support of infinite duration.
Un défaut de cette technique est que, en discret, l'orthogonalité n'est vérifiée qu' approximativement, et un prototype considéré comme optimal en temps continu pour un critère donné ne l'est plus nécessairement dans le cas discret. On a par exemple mis en œuvre cette technique dans le cadre de l'utilisation de la fonction IOTA (Isotropic Orthogonal Transform Algorithm) [9] pour la réalisation sous forme numérique d'un modem OFDM/OQAM. Dans ce cas, on s'appuie sur des fonctions qui forment une base orthogonale en temps continu et pour lesquelles on conjecture qu'elles constituent un optimum pour la localisation temps-fréquence.A defect of this technique is that, in discrete, the orthogonality is checked only approximately, and a prototype considered as optimal in continuous time for a given criterion is no longer necessarily it in the discrete case. We have for example implemented this technique within the framework of the use of the IOTA function (Isotropic Orthogonal Transform Algorithm) [9] for the realization in digital form of an OFDM / OQAM modem. In this case, we rely on functions which form an orthogonal basis in continuous time and for which we conjecture that they constitute an optimum for time-frequency localization.
Dans le cas d'un traitement en numérique l'orthogonalité n'est plus vérifiée et la localisation du prototype discret n'est pas directement optimisé.In the case of digital processing, the orthogonality is no longer verified and the location of the discrete prototype is not directly optimized.
22 Catégorie 2 : Optimisation de prototypes à reconstruction quasi- parfaite22 Category 2: Optimization of prototypes with near-perfect reconstruction
On fait alors en sorte que le banc de filtres dit « dos-à-dos », par exemple le modem pris isolément pour un système de transmission, vérifie approximativement la. condition de reconstruction parfaite.We then make sure that the so-called “back-to-back” filter bank, for example the modem taken in isolation for a transmission system, checks approximately. perfect reconstruction condition.
Selon cette approche, la reconstruction n'est donc pas parfaite et le coût d'optimisation des coefficients peut devenir prohibitif pour les grandes longueurs.According to this approach, the reconstruction is therefore not perfect and the cost of optimizing the coefficients can become prohibitive for long lengths.
Par exemple, en codage audio, le banc de filtres MPEG1 , couches 1 et 2, a été calculé selon ce principe [6]. Il ne permet pas d'obtenir une reconstruction parfaite. Dans les normes plus récentes, les bancs de filtres préconisés doivent être parfaitement orthogonaux. 23 Catégorie 3 : Orthogonalisation de prototypes RIFFor example, in audio coding, the MPEG1 filter bank, layers 1 and 2, has been calculated according to this principle [6]. It does not allow to obtain a perfect reconstruction. In more recent standards, the recommended filter banks must be perfectly orthogonal. 23 Category 3: Orthogonalization of RIF prototypes
Le pendant en discret de l' orthogonalisation en continu tel qu'il est réalisé par le procédé IOTA s'appuie sur une transformée dite de Zak. A partir d'un prototype initial de longueur donnée, on obtient un prototype de longueur double qui vérifie les conditions d'orthogonalité. Cependant, dans ce cas, le calcul ne prend en compte que les contraintes d'orthogonalité et ne permet pas réellement d'optimiser un critère précis.The discrete counterpart of the continuous orthogonalisation as it is produced by the IOTA process is based on a so-called Zak transform. From an initial prototype of given length, we obtain a prototype of double length which checks the conditions of orthogonality. However, in this case, the calculation takes into account only the orthogonality constraints and does not really allow optimization of a precise criterion.
Cette méthode a été utilisée par exemple par l'ENST pour réaliser la synthèse de prototypes de grande longueur pour des systèmes OFDM/OQAM [10]. 2.4 Catégorie 4 : Optimisation de prototypes RIF orthogonaux et biorthogonauxThis method has been used for example by the ENST to synthesize prototypes of great length for OFDM / OQAM systems [10]. 2.4 Category 4: Optimization of orthogonal RIF prototypes and biorthogonal
Il s'agit à la fois d'optimiser un critère donné et de vérifier exactement des conditions de biorthogonalité ou d'orthogonalité. Le plus souvent, les bancs de filtres calculés de cette manière utilisent des représentations paramétriques, par exemple sous forme d'échelle (en biorthogonal) ou de treillis (en orthogonal), qui par construction vont garantir que la reconstruction est parfaite.It is both a question of optimizing a given criterion and of verifying exactly biorthogonality or orthogonality conditions. Most often, the filter banks calculated in this way use parametric representations, for example in the form of a scale (in biorthogonal) or lattice (in orthogonal), which by construction will guarantee that the reconstruction is perfect.
Il faut alors résoudre un problème d'optimisation non linéaire, avec contraintes si on considère la représentation transversale du prototype et sans contraintes pour des représentations de type échelle ou treillis. La difficulté est liée à la grande taille de certains problèmes, c'est le cas par exemple des systèmesIt is then necessary to solve a nonlinear optimization problem, with constraints if we consider the transverse representation of the prototype and without constraints for representations of the ladder or lattice type. The difficulty is linked to the large size of certain problems, for example systems
OFDM/OQAM ou BFDM/OQAM à plusieurs centaines ou milliers de porteuses.OFDM / OQAM or BFDM / OQAM with several hundred or thousands of carriers.
On est ainsi confronté à ce problème lors du design des prototypes biorthogonaux et orthogonaux des systèmes BFDM/OQAM [11 , 2] et OFDM/OQAM [3]. Une paramétrisation plus générale que le treillis, car elle s'applique également aux systèmes orthogonaux suréchantillonnés, est proposée dans la référence [10], mais elle ne simplifie en rien le problème de synthèse dans le cas de l'échantillonnage dit critique.We are thus confronted with this problem during the design of biorthogonal and orthogonal prototypes of the BFDM / OQAM [11, 2] and OFDM / OQAM [3] systems. A more general parametrization than the trellis, because it also applies to oversampled orthogonal systems, is proposed in reference [10], but it does not in any way simplify the problem of synthesis in the case of so-called critical sampling.
Un problème similaire se pose également dans le cadre du codage en sous- bande [5], [1]. 3. Objectifs de l'inventionA similar problem also arises in the context of sub-band coding [5], [1]. 3. Objectives of the invention
L'invention concerne plus particulièrement la dernière catégorie de solution. Un objectif de l'invention est de permettre de synthétiser des prototypes à plusieurs centaines ou milliers de coefficients.The invention relates more particularly to the last category of solution. An objective of the invention is to make it possible to synthesize prototypes with several hundreds or thousands of coefficients.
Par rapport aux catégories de solutions 1 et 3 qui réalisent déjà cet objectif, il faut rappeler que :Compared to the categories of solutions 1 and 3 which already achieve this objective, it should be remembered that:
- Les solutions de la catégorie 1 entraînent des pertes d'orthogonalité qui sont d'autant plus importantes que l'on essaie de réduire la longueur du prototype pour un nombre de porteuses, ou des sous-bandes, donné.- Category 1 solutions cause losses of orthogonality which are all the more important when one tries to reduce the length of the prototype for a given number of carriers, or sub-bands.
- Des solutions de la catégorie 3 ne permettent pas d'optimiser précisément un critère donné. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'état de l'art.- Category 3 solutions do not precisely optimize a given criterion. The invention particularly aims to overcome these drawbacks of the state of the art.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un procédé de calcul de filtres prototypes, ainsi que des filtres prototypes et des bancs de filtres modulés correspondants, qui soient quasi-optimaux pour des critères d'optimisation prédéterminés.More specifically, an objective of the invention is to provide a method for calculating prototype filters, as well as prototype filters and corresponding modulated filter banks, which are quasi-optimal for predetermined optimization criteria.
Un objectif de l'invention est ainsi de fournir de tels filtres prototypes, dont les longueurs sont nettement supérieures aux longueurs pouvant être traitées jusqu'à présent par les méthodes d'optimisation connues. Par exemple, en OFDM/OQAM, il est nécessaire de calculer des prototypes pour des systèmes comprenant plus de 2048 porteuses. De même, en BFDM/OQAM (où le cap de la longueur 2048 pour un système à 512 porteuses était difficilement atteint selon l'art antérieur), l'invention a notamment pour objectif de permettre le traitement des systèmes de longueur 8192 avec 2048 porteuses, par exemple en un temps de calcul raisonnable.An objective of the invention is thus to provide such prototype filters, the lengths of which are clearly greater than the lengths which can be processed hitherto by known optimization methods. For example, in OFDM / OQAM, it is necessary to calculate prototypes for systems comprising more than 2048 carriers. Similarly, in BFDM / OQAM (where the 2048 length cap for a system with 512 carriers was difficult to reach according to the prior art), the invention aims in particular to allow the processing of systems of length 8192 with 2048 carriers , for example in a reasonable calculation time.
Un autre objectif de l'invention est d'assurer, pour une longueur de prototype donnée, des temps de calcul incomparablement plus courts qu'avec les méthodes d'optimisation connues.Another objective of the invention is to ensure, for a given prototype length, incomparably shorter computation times than with known optimization methods.
L'invention a également pour objectif de fournir des tels filtres prototypes, qui puissent être mis en oeuvre aisément et efficacement dans des terminaux.The invention also aims to provide such prototype filters, which can be implemented easily and efficiently in terminals.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un procédé de détermination de coefficients de filtrage d'un banc de filtres modulé, basé sur un filtre prototype de longueur L destiné à produire, par modulation, un système modulé à M sous-bandes, comprenant les étapes suivantes :These objectives, as well as others which will appear subsequently, are achieved according to the invention using a method for determining the filter coefficients of a modulated filter bank, based on a prototype filter of length L intended to produce, by modulation, a modulated system with M sub-bands, comprising the following steps:
(a) détermination, pour au moins deux valeurs faibles de M, en fonction d'un premier espace de paramètres P, d'un jeu de premiers coefficients de filtrage, correspondant à un optimum global du problème correspondant, noté {P, M, L}, pour au moins un critère prédéterminé à optimiser ; (b) analyse du ou desdits jeux de premiers coefficients de filtrage, de façon à déterminer un sous-ensemble de filtres correspondant auxdits optimums, auquel on associe un second espace de paramètres R, avec card R ≤ card P, permettant une autre représentation, dite compacte, desdits filtres ; (c) optimisation d'un second jeu de coefficients de filtrage, pour au moins deux valeurs de M et au moins une valeur de L, à l'aide dudit second espace de paramètres R, correspondant à un optimum global du problème correspondant, noté {R,M, L} ;(a) determination, for at least two low values of M, as a function of a first space of parameters P, of a set of first filtering coefficients, corresponding to a global optimum of the corresponding problem, denoted {P, M, L}, for at least one predetermined criterion to be optimized; (b) analysis of said set or sets of first filter coefficients, so as to determining a subset of filters corresponding to said optimums, to which a second space of parameters R is associated, with card R ≤ card P, allowing another representation, called compact, of said filters; (c) optimization of a second set of filter coefficients, for at least two values of M and at least one value of L, using said second space of parameters R, corresponding to a global optimum of the corresponding problem, noted {R, M, L};
(e) stockage d'au moins un desdits seconds jeux de coefficients de filtrage. De cette façon, comme on le verra par la suite, on peut déterminer efficacement des filtres prototypes de très grande longueur (par exemple quelques milliers) en un temps très réduit, par rapport aux techniques connues.(e) storing at least one of said second sets of filter coefficients. In this way, as will be seen later, very long prototype filters (for example a few thousand) can be efficiently determined in a very short time, compared to known techniques.
Avantageusement, le procédé de détermination de coefficients de filtrage de l'invention comprend en outre une étape :Advantageously, the method for determining filter coefficients of the invention further comprises a step:
(f) d'interpolation rapide d'un jeu de coefficients de filtrage pour une valeur quelconque de M, à partir du ou desdits seconds jeux de coefficients stockés.(f) rapid interpolation of a set of filter coefficients for any value of M, from the one or more said second sets of stored coefficients.
De façon préférentielle, dans ladite étape (c), ladite optimisation est calculée pour au moins deux valeurs de M qui sont des puissances de 2.Preferably, in said step (c), said optimization is calculated for at least two values of M which are powers of 2.
Selon une caractéristique de l'invention, ladite optimisation de ladite étape (c) est calculée en tenant compte d'au moins une valeur fixée pour au moins un paramètre annexe A.According to a characteristic of the invention, said optimization of said step (c) is calculated by taking into account at least one fixed value for at least one annex parameter A.
Le ou lesdits paramètres annexes A peuvent notamment comprendre un délai fixé.The said additional parameter (s) A may in particular include a fixed deadline.
De façon avantageuse, dans ladite étape (b), ladite analyse tient compte d'au moins une des propriétés appartenant au groupe comprenant : la linéarité de la phase ; la continuité des paramètres d'une composante polyphasé à l'autre ; l'appartenance à un intervalle prédéterminé de paramètres angulaires ; - des propriétés de continuité et/ou de dérivabilité de courbes limites, lorsque la longueur tend vers l'infini. Préférentiellement, le procédé de l'invention comprend, après ladite étape (c), une étape de :Advantageously, in said step (b), said analysis takes account of at least one of the properties belonging to the group comprising: the linearity of the phase; the continuity of the parameters from one polyphase component to another; belonging to a predetermined range of angular parameters; - continuity and / or derivability properties of limit curves, when the length tends to infinity. Preferably, the method of the invention comprises, after said step (c), a step of:
(d) validation des résultats de la résolution dudit second problème, pour au moins une valeur faible de M.(d) validation of the results of the resolution of said second problem, for at least a low value of M.
Le procédé de détermination de coefficients de filtrage de 4'invention comprend également, avantageusement, après ladite étape (f), une étape de : (g) vérification et/ou optimisation des valeurs interpolées pour le problème correspondant {P, M, L} ou {R, M, L}. Le ou lesdits critères prédéterminés à optimiser peuvent notamment appartenir au groupe comprenant : la localisation en temps et/ou en fréquence ; la minimisation de l'énergie hors bande. De façon avantageuse, dans ladite étape (b), on met en oeuvre au moins une fonction, dite code, associant à un filtre prototype optimal P(z) une représentation approchée Px(z) dudit filtre prototype optimal P(z), exprimé à l'aide dudit second jeu de paramètres.The method for determining the filter coefficients of the invention also advantageously comprises, after said step (f), a step of: (g) checking and / or optimizing the interpolated values for the corresponding problem {P, M, L} or {R, M, L}. The one or more predetermined criteria to be optimized may in particular belong to the group comprising: location in time and / or in frequency; minimization of out-of-band energy. Advantageously, in said step (b), at least one function, called code, is implemented, associating with an optimal prototype filter P (z) an approximate representation P x (z) of said optimal prototype filter P (z), expressed using said second set of parameters.
Selon un aspect préférentiel de l'invention, ledit banc de filtres modulé est utilisé pour la mise en œuvre d'un système de modulation multiporteuse. Ladite modulation multiporteuse est une modulation OFDM/OQAM ou une modulation BFDM/OQAM.According to a preferred aspect of the invention, said modulated filter bank is used for the implementation of a multicarrier modulation system. Said multicarrier modulation is an OFDM / OQAM modulation or a BFDM / OQAM modulation.
Dans le cas d'une modulation OFDM/OQAM, ledit premier espace P est avantageusement l'espace des coefficients angulaires :
Figure imgf000008_0001
avec card(P) = m*M/2 où : 2M est le nombre de sous-porteuses de ladite modulation ; L = 2mM est la longueur initiale dudit filtre prototype. Dans ce cas, ledit second espace appartient préférentiellement au groupe comprenant : - un espace Rκo engendré par les fonctions génératrices des points M( ), 1 = 0,..., (M/2)-l, avec u(l) une bijection de {0, (M/2)-l} vers {0, 1/2} ; un espace RK1 correspondant au sous-espace des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l , K > 0 ; - un espace RK2 correspondant au sous-espace des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l , K > 0, dans la base des polynômes de Chebyshev. Selon différents modes de réalisation avantageux, lesdits codes sont respectivement : - pour ledit espace Rκo : code n° 0 :
In the case of an OFDM / OQAM modulation, said first space P is advantageously the space of the angular coefficients:
Figure imgf000008_0001
with card (P) = m * M / 2 where: 2M is the number of subcarriers of said modulation; L = 2mM is the initial length of said prototype filter. In this case, said second space preferably belongs to the group comprising: - a space R κo generated by the functions generating the points M (), 1 = 0, ..., (M / 2) -l, with u (l) a bijection from {0, (M / 2) -l} to {0, 1/2}; a space R K1 corresponding to the subspace of polynomials of degree less than or equal to Kl, K>0; - a space R K2 corresponding to the subspace of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, in the base of the Chebyshev polynomials. According to various advantageous embodiments, said codes are respectively: - for said space R κo : code n ° 0:
Figure imgf000009_0001
pour ledit espace RK1 : code n° 1 :
Figure imgf000009_0001
for said space R K1 : code n ° 1:
Figure imgf000009_0002
pour ledit espace Rκ2 : code n° 2 : cosθf=Φ(^7I(4<M/)-l)).
Figure imgf000009_0002
for said space R κ2 : code n ° 2: cosθf = Φ (^ 7I (4 <M /) - l)).
Dans un mode de réalisation particulier, on peut utiliser ledit code n° 2 avec le degré 8.In a particular embodiment, said code No. 2 can be used with degree 8.
De façon préférentielle, ladite étape (f) d'interpolation met en œuvre une sous-étape de recherche d'un polynôme de degré en log2 M approchant au mieux, au sens des moindres carrés, l'ensemble des valeurs déjà stockées.Preferably, said interpolation step (f) implements a sub-step of searching for a polynomial of degree in log 2 M approaching, in the least squares sense, all of the values already stored.
Dans le cas où la modulation est une modulation BFDM/OQAM, ledit premier espace P est avantageusement l'espace des coefficients en échelle tels que
Figure imgf000009_0003
avec card(P) = (2m+l) /2 où : 2M est le nombre de sous-porteuses de ladite modulation ;
In the case where the modulation is a BFDM / OQAM modulation, said first space P is advantageously the space of the coefficients in scale such that
Figure imgf000009_0003
with card (P) = (2m + l) / 2 where: 2M is the number of subcarriers of said modulation;
L = 2mM est la longueur initiale dudit filtre prototype. Dans ce cas, ledit second espace appartient de façon avantageuse au groupe comprenant : un espace Rκl constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l , K > 0, représentés par leurs coefficients ; un espace RK2 constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l, K> 0, représentés par leur développement de Chebyshev ; un espace Rκ3 constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l, K> 0, vérifiant
Figure imgf000010_0001
; un espace Rκ4 constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l, K > 0, vérifiant
Figure imgf000010_0002
représentés par leur développement de Chebyshev. Selon différents modes de réalisation, lesdits codes peuvent être l'un des codes suivants : code n° 0 : les coefficients xl j,l=^),...,- ,j=0,...2m sont les coefficients al J+1,l=0 ,....-^ =0 ,...2m pour ledit espace Rκl : code n° 1 :
L = 2mM is the initial length of said prototype filter. In this case, said second space advantageously belongs to the group comprising: a space R κl consisting of polynomials of degree less than or equal to K1, K> 0, represented by their coefficients; a space R K2 consisting of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, represented by their Chebyshev development; a space R κ3 made up of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, satisfying
Figure imgf000010_0001
; a space R κ4 made up of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, satisfying
Figure imgf000010_0002
represented by their development of Chebyshev. According to different embodiments, said codes can be one of the following codes: code n ° 0: the coefficients x l j , l = ^), ..., -, j = 0, ... 2m are the coefficients a l J + 1 , l = 0, ....- ^ = 0, ... 2m for said space R κl : code n ° 1:
k=0 - pour ledit espace RK2 : code n° 2 : al J+1=^x*Tk(4φM(l)-l),j=0,...2mk = 0 - for said space R K2 : code n ° 2: a l J + 1 = ^ x * Tk (4φ M (l) -l), j = 0, ... 2m
A=0 pour ledit espace RK3 : code n° 3 :A = 0 for said space R K3 : code n ° 3:
k=0 pour ledit espace RK4 : code n° 4 :k = 0 for said space R K4 : code n ° 4:
Figure imgf000010_0003
Figure imgf000010_0003
Avantageusement, ladite étape (c) d'optimisation met en œuvre un algorithme d'optimisation locale et/ou un algorithme génétique de minimisation globale.Advantageously, said optimization step (c) implements a local optimization algorithm and / or a genetic global minimization algorithm.
De façon préférentielle, ladite fonction prototype est décrite à l'aide de représentations en treillis, ou en échelle, sous la forme d'une fonction a(t) telle que : pour le code n° 1 :Preferably, said prototype function is described using lattice representations, or in scale, in the form of a function a (t) such that: for code n ° 1:
Figure imgf000010_0004
où d est le degré considéré et at, i = 0,... ,d-l les d coefficients correspondants ; pour le code n° 2 :
Figure imgf000010_0004
where d is the degree considered and a t , i = 0, ..., dl the corresponding d coefficients; for code 2:
Figure imgf000011_0001
où les Tι sont les polynômes de Chebyshev ; pour le code n° 3 :
Figure imgf000011_0001
where the Tι are the Chebyshev polynomials; for code n ° 3:
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0002
Selon un aspect particulier de l'invention, lesdits coefficients de filtrage sont avantageusement obtenus, pour tout > 0, à l'aide de l'équation : Pa(z)= z-2sMH(z)+^riKi(z2M) où H(z est un filtre de longueur M vérifiant ξmod(H) = 1, ξmo étant une fonction délivrant une mesure de localisation discrète d'un filtre ; et α est tel que "ξ,moά(P^) > 1-ε .According to a particular aspect of the invention, said filtering coefficients are advantageously obtained, for all> 0, using the equation: P a (z) = z- 2sM H (z) + ^ r i K i (z 2M ) where H (z is a filter of length M satisfying ξ mod (H) = 1, ξ mo being a function delivering a measure of discrete localization of a filter; and α is such that " ξ, moά (P ^)> 1-ε.
L'invention concerne également : - les filtres prototypes pour bancs de filtres modulés, dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage décrits ci-dessus ; les bancs de filtres modulés formés à partir d'un filtre prototype dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage décrits ci-dessus ; les terminaux de réception d'un signal multiporteuse, mettant en œuvre un banc de filtres modulés formé à partir d'un filtre prototype dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage décrits ci- dessus.The invention also relates to: - the prototype filters for modulated filter banks, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining the filter coefficients described above; the modulated filter banks formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method for determining the filter coefficients described above; the terminals for receiving a multicarrier signal, implementing a bank of modulated filters formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining filter coefficients described above.
L'invention concerne également les applications d'un banc de filtres modulé formé à partir d'un filtre prototype dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage décrit ci- dessus à au moins un des domaines appartenant au groupe comprenant : modulation multiporteuse de type BFDM/OQAM ; modulation multiporteuse de type OFDM/OQAM ; codage en sous-bandes. 4. Modes de réalisation préférentiels D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels de l'invention, données à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, parmi lesquelles : la figure 1, commentée en annexe 1, illustre les étages de "lifting" et "lifting dual" combinés, sans augmentation du délai, correspondant à une représentation en échelle pour un transmultiplexeur BFDM/OQAM ; la figure 2, également commentée en annexe 1, présente les étages de "lifting" et "lifting dual" combinés, avec augmentation de délai, conservant également la propriété de biorthogonalité ; les figures 3A à 3D présentent les coefficients Θ\ (en fonction deThe invention also relates to the applications of a modulated filter bank formed from a prototype filter, the filter coefficients of which are obtained using the method of determining the filter coefficients described above in at least one of the domains belonging to the group including: BFDM / OQAM type multicarrier modulation; OFDM / OQAM type multicarrier modulation; coding in sub-bands. 4. Preferential embodiments Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description of preferential embodiments of the invention, given by way of simple illustrative and nonlimiting examples, and of the figures. appended, among which: FIG. 1, commented on in appendix 1, illustrates the combined "lifting" and "dual lifting" stages, without increasing the delay, corresponding to a representation in scale for a BFDM / OQAM transmultiplexer; FIG. 2, also commented on in appendix 1, presents the stages of "lifting" and "lifting dual" combined, with increase in delay, also retaining the property of biorthogonality; FIGS. 3A to 3D show the coefficients Θ \ (as a function of
/+1), pour ξmod, pour M = 32 et respectivement m = 1 ,... , 4, et 0 ≤ i/ + 1), for ξ mod , for M = 32 and respectively m = 1, ..., 4, and 0 ≤ i
≤ m-1 pour l'optimisation de coefficients angulaires dans le cas de l'OFDM/OQAM ; - les figures 4A à 4D présentent les coefficients θ\ (en fonction de +1), pour ξmod, pour M = 128 et respectivement m = 1 ,... , 4, et 0 ≤ i≤ m-1 for the optimization of angular coefficients in the case of OFDM / OQAM; - Figures 4A to 4D show the coefficients θ \ (as a function of +1), for ξ mod , for M = 128 and respectively m = 1, ..., 4, and 0 ≤ i
≤ m-1 pour l'optimisation de coefficients angulaires dans le cas de l'OFDM/OQAM ; les figures 5A à 5D présentent les coefficients θ\ (en fonction de /+1), optimaux pour l'énergie hors-bande, pour M = 32 et respectivement m = 1,..., 4, et 0 ≤ i ≤ m-1 pour l'optimisation de coefficients angulaires dans le cas de l'OFDM/OQAM ; les figures 6A et 6B illustrent les réponses d'un filtre prototype wfiltres optimaux pour le code 2 de degré 8 ; - la figure 14, également commentée en annexe 6, montre l'erreur relative commise sur la meilleure énergie hors-bande avec les filtres prototypes OFDM de longueur L = 2M construits à partir des paramètres des filtres optimaux pour le code 2 de degré 8 ; la figure 15, également commentée en annexe 6, est une représentation à support dans [-1, +1] des 2M coefficients transversaux des filtres optimaux pour la localisation pour M = 32 (croix) et M = 1024 (trait continu) ; la figure 16, également commentée en annexe 6, montre l'erreur relative commise sur la meilleure énergie hors-bande avec les filtres prototypes OFDM de longueur L = 2M construits à partir de θε(f) ; la figure 19, également commentée en annexe 6, montre l'erreur relative commise sur la meilleure énergie hors-bande avec les filtres prototypes OFDM de longueur L = 4M (m = 2) construits à partir des paramètres des filtres optimaux pour le code 2 de degré≤ m-1 for the optimization of angular coefficients in the case of OFDM / OQAM; FIGS. 5A to 5D present the coefficients θ \ (as a function of / + 1), optimal for out-of-band energy, for M = 32 and respectively m = 1, ..., 4, and 0 ≤ i ≤ m -1 for the optimization of angular coefficients in the case of OFDM / OQAM; FIGS. 6A and 6B illustrate the responses of a prototype filter w optimal filters for code 2 of degree 8; - figure 14, also commented in appendix 6, shows the error relative committed on the best out-of-band energy with the OFDM prototype filters of length L = 2M constructed from the parameters of the optimal filters for code 2 of degree 8; FIG. 15, also commented in appendix 6, is a representation with support in [-1, +1] of the 2M transverse coefficients of the optimal filters for the location for M = 32 (cross) and M = 1024 (solid line); FIG. 16, also commented in appendix 6, shows the relative error made on the best out-of-band energy with the OFDM prototype filters of length L = 2M constructed from θ ε (f); FIG. 19, also commented in appendix 6, shows the relative error made on the best out-of-band energy with the OFDM prototype filters of length L = 4M (m = 2) constructed from the parameters of the optimal filters for code 2 of degree
8, pour M valant 128 et 1024 ; la figure 20, également commentée en annexe 6, montre l'erreur relative commise sur la meilleure énergie hors-bande avec les filtres prototypes BFDM de longueur L = 4M (m = 2) construits à partir des paramètres des filtres optimaux pour le code 2 de degré8, for M being 128 and 1024; FIG. 20, also commented in appendix 6, shows the relative error made on the best out-of-band energy with the BFDM prototype filters of length L = 4M (m = 2) constructed from the parameters of the optimal filters for code 2 of degree
8, pour M valant 128 et 512 ; la figure 21, également commentée en annexe 6, montre l'erreur relative commise sur la meilleure énergie hors-bande avec les filtres prototypes BFDM de longueur L = 6M (m = 3) construits à partir des paramètres des filtres optimaux pour le code 2 de degré8, for M being 128 and 512; Figure 21, also commented in appendix 6, shows the relative error made on the best out-of-band energy with the BFDM prototype filters of length L = 6M (m = 3) constructed from the parameters of the optimal filters for code 2 of degree
8 , pour M valant 128 et 512 ; la figure 22 est un organigramme simplifié présentant le principe général du procédé de l'invention. 4.1 Présentation générale L'invention concerne donc notamment une méthode de calcul rapide d'un filtre prototype à coefficients réels, notés p(n), où pour un filtre de longueur L, n est un entier compris entre 0 et L-l. Pour être admissible dans la catégorie de solutions recherchée, les coefficients p(n) doivent optimiser un critère donné et vérifier des conditions de biorthogonalité ou d'orthogonalité. Dans l'annexe 1 on présente en détail deux critères (localisation temps- fréquence et minimisation de l'énergie hors-bande) pouvant être retenus, ainsi que les conditions de biorthogonalité qui s'appliquent à différentes familles de bancs de filtres modulés.8, for M being 128 and 512; Figure 22 is a simplified flowchart showing the general principle of the method of the invention. 4.1 General presentation The invention therefore relates in particular to a method for rapidly calculating a prototype filter with real coefficients, noted p (n), where for a filter of length L, n is an integer between 0 and Ll. To be admissible in the sought-after category of solutions, the coefficients p (n) must optimize a given criterion and verify biorthogonality or orthogonality conditions. In appendix 1 we present in detail two criteria (time-frequency localization and minimization of out-of-band energy) that can be retained, as well as the biorthogonality conditions which apply to different families of modulated filter banks.
Pour rappeler le contexte applicatif de ces modes de réalisation préférentiels, on présente brièvement, en annexe 2, le principe d'obtention d'un transmultiplexeur BFDM/OQAM basé sur la modulation d'un prototype p(n).To recall the application context of these preferred embodiments, we briefly present, in appendix 2, the principle of obtaining a BFDM / OQAM transmultiplexer based on the modulation of a prototype p (n).
42 La méthode de réduction de paramètres42 The parameter reduction method
La méthode de l'invention, dite de réduction de paramètres, s'applique à un très large ensemble de bancs de filtres modulés. Elle peut convenir, en particulier, pour tout système pour lequel les équations (10) à (13) (annexe 1) constituent des conditions suffisantes pour la propriété de reconstruction parfaite : bancs modulés de type DCT II et IV et de type MDFT I et II, modulateurs BFDM/OQAM et BFDM/QAM suréchantillonnés [17], etc.The method of the invention, called parameter reduction, applies to a very large set of modulated filter banks. It can be suitable, in particular, for any system for which equations (10) to (13) (appendix 1) constitute sufficient conditions for the property of perfect reconstruction: modulated banks of type DCT II and IV and of type MDFT I and II, oversampled BFDM / OQAM and BFDM / QAM modulators [17], etc.
On peut également envisager de l'appliquer dans le cas où les prototypes des bancs d'analyse et de synthèse différent [5, 16]. Dans un premier temps, on décrit donc le procédé utilisé dans un cadre très général. On explique ensuite la manière dont elle s'applique au BFDM/OQAM et à l'OFDM/OQAM, et on déduit finalement des restrictions qui peuvent éventuellement exister dans des contextes différents de ceux traités. 4.2.1. Principe généralOne can also consider applying it in the case where the prototypes of the analysis and synthesis benches differ [5, 16]. First, we describe the process used in a very general context. We then explain how it applies to BFDM / OQAM and OFDM / OQAM, and we finally deduce restrictions which may possibly exist in contexts different from those treated. 4.2.1. General principle
On prend comme hypothèse de départ que la fonction à optimiser, pour un critère donné, est un filtre prototype de longueur L qui par modulation va produire un système modulé à M sous-bandes.We take as a starting hypothesis that the function to be optimized, for a given criterion, is a prototype filter of length L which by modulation will produce a system modulated with M sub-bands.
Pour un tel prototype, on valide la méthode de réduction de paramètres par la succession des étapes qui suivent, illustrée par l'organigramme de la figure 22. 1 . Optimisation 11 sur un ensemble de paramètres, noté P, en principe en nombre suffisant, c'est-à-dire card P ≥ nombre de degrés de liberté, pour obtenir l'optimum global du problème, noté {P, M, L), pour le critère choisi, et analyse des solutions optimales pour de faibles valeurs de M. 2. Interprétation 12 des propriétés des solutions obtenues comme l'appartenance à un sous-ensemble de filtres. Dans ces sous-ensembles, on choisit des sous- espaces approximants de dimension finie où les filtres peuvent être représentés avec un nombre réduit de paramètres.For such a prototype, the method of reducing parameters is validated by the succession of steps which follow, illustrated by the flowchart in FIG. 22. 1. Optimization 11 on a set of parameters, noted P, in principle in sufficient number, ie card P ≥ number of degrees of freedom, to obtain the global optimum of the problem, noted {P, M, L) , for the chosen criterion, and analysis of optimal solutions for low values of M. 2. Interpretation 12 of the properties of the solutions obtained as belonging to a subset of filters. In these subsets, we choose approximate subspaces of finite dimension where the filters can be represented with a reduced number of parameters.
Cette représentation est appelée « compacte » dans cette demande de brevet. Les propriétés considérées des filtres optimaux obtenus lors de la première étape peuvent être par exemple :This representation is called “compact” in this patent application. The properties considered of the optimal filters obtained during the first step can be for example:
- la linéarité de la phase ;- the linearity of the phase;
- la continuité des paramètres d'une composante polyphasé à l'autre ; l'appartenance à un intervalle restreint de paramètres angulaires (par exemple [0, π]) ;- the continuity of the parameters from one polyphase component to another; belonging to a limited range of angular parameters (for example [0, π]);
- les propriétés de continuité, de dérivabilité des courbes limites lorsque la longueur tend vers l'infini.- the properties of continuity, of derivability of limit curves when the length tends towards infinity.
Il en résulte une représentation avec un nouveau jeu de paramètres, noté R, déduit de P et qui est dit réduit quand cardR < cardP. 3. Optimisation 13 du prototype avec le nouveau jeu de paramètres R, pour des valeurs données de L,M (par exemple les puissances de 2 pour les valeurs deThis results in a representation with a new set of parameters, noted R, deduced from P and which is said to be reduced when cardR <cardP. 3. Optimization 13 of the prototype with the new set of parameters R, for given values of L, M (for example the powers of 2 for the values of
M) et, éventuellement, des valeurs fixées également pour un ensemble d'autres paramètres annexes, noté A (incluant par exemple le délai), permettant de couvrir par la suite l'ensemble des solutions possibles du problème. Vérification 131 , pour les petites valeurs de M, que la résolution de ce problème, noté {R, M, L), produit un optimum non dégradé, par rapport à celui obtenu pour le problème {P, M, L}.M) and, optionally, values also fixed for a set of other additional parameters, denoted A (including for example the delay), making it possible thereafter to cover all the possible solutions of the problem. Verification 131, for the small values of M, that the resolution of this problem, noted {R, M, L), produces an undegraded optimum, compared to that obtained for the problem {P, M, L } .
4. Stockage 14 des meilleurs résultats obtenus pour un ensemble de valeurs de4. Storage 14 of the best results obtained for a set of values of
M, par exemple les puissances de 2, et pour un ensemble de valeurs de A fixées, lors de la résolution des différents problèmes {R, M, L). Interpolation rapide 141, sans optimisation, des résultats pour toutes les valeurs de M et vérification 142 des résultats avec optimisation du problème correspondant de type iP, M, Ω ou {P, M, L}.M, for example the powers of 2, and for a set of fixed values of A, when solving the different problems (R, M, L). Interpolation fast 141, without optimization, of the results for all the values of M and verification 142 of the results with optimization of the corresponding problem of type iP, M, Ω or {P, M, L}.
Un ensemble R de paramètres qui permet de valider les étapes 1 à 4 constitue une représentation compacte qui vérifie les conditions exigées pour notre méthode de réduction de l'espace des paramètres.A set R of parameters which makes it possible to validate steps 1 to 4 constitutes a compact representation which satisfies the conditions required for our method of reducing the space of parameters.
On illustre à présent cette méthode dans le cas de l'OFDM/OQAM et dans celui du BFDM/OQAM. Les critères d'optimisation utilisés pour ce faire sont ceux de localisation temps-fréquence et d'énergie hors-bande décrits dans l'annexe 1.This method is now illustrated in the case of OFDM / OQAM and in that of BFDM / OQAM. The optimization criteria used to do this are those of time-frequency location and out-of-band energy described in appendix 1.
Par ailleurs, on notera que, les problèmes à résoudre étant non-linéaires, on a utilisé plusieurs logiciels d'optimisation, locale et globale, pour valider ces résultats.In addition, it will be noted that, the problems to be solved being non-linear, we used several optimization software, local and global, to validate these results.
4.2.2 Cas de l'OFDM/OQAM Nous présentons tout d'abord le cas de l'OFDM/OQAM pour lequel nous avons déjà validé l'ensemble de la procédure en 4 étapes de la figure 22, pour des prototypes de longueur L = 2m .4.2.2 Case of OFDM / OQAM We first present the case of OFDM / OQAM for which we have already validated the entire 4-step procedure in Figure 22, for prototypes of length L = 2m.
4.2.2.1 Optimisation des coefficients angulaires dans l'espace P On a choisi un espace de paramètres initial qui est celui le plus habituel pour ce type de problèmes, et qui est introduit en annexe 1 au paragraphe 2.2, c'est-à-dire celui des coefficients angulaires {θfp≤i≤m-1 P≤l≤ψ- 1} . Dans ce cas nous avons card( ) = mxM/2 = nombre de degrés de liberté. Les problèmes d'optimisation à résoudre sont donc sans contraintes et garantissent parfaitement l'orthogonalité ainsi que la linéarité de phase du prototype. L'observation des paramètres angulaires obtenus lors d'une optimisation directe montre, comme cela est illustré par les figures 3 à 5, que ceux-ci, après réduction par la période 2π, peuvent être toujours choisis dans l'intervalle [0, π]. D'autre part les paramètres qui se correspondent, c'est-à-dire ceux qui sont associés au même indice i pour un jeu de composantes polyphasés l donné, évoluent de manière continue. 4.2.2.2 Représentation sous forme compacte4.2.2.1 Optimization of the angular coefficients in the space P One chose a space of initial parameters which is that most usual for this type of problems, and which is introduced in appendix 1 in paragraph 2.2, that is to say that of the angular coefficients {θfp≤i≤m-1 P≤l≤ψ- 1}. In this case we have card () = mxM / 2 = number of degrees of freedom. The optimization problems to be solved are therefore without constraints and perfectly guarantee the orthogonality as well as the phase linearity of the prototype. The observation of the angular parameters obtained during a direct optimization shows, as illustrated by FIGS. 3 to 5, that these, after reduction by the period 2π, can always be chosen in the interval [0, π ]. On the other hand, the parameters which correspond, that is to say those associated with the same index i for a given set of polyphase components l, evolve continuously. 4.2.2.2 Representation in compact form
L'objectif est d'obtenir une représentation approchée Px(z) du filtre prototype optimal P (z) à l'aide d'un jeu réduit de paramètres {xf ≤k≤Kp≤i≤m-l} .Le filtre prototype P(z) est dit, dans la présente demande de brevet, codé par les ( f)k ,0,..jc-i or..jn-ι et l'application
Figure imgf000017_0001
est appelée un code. K est appelé le degré du code.
The objective is to obtain an approximate representation P x (z) of the optimal prototype filter P (z) using a reduced set of parameters {xf ≤k≤Kp≤i≤ml}. The prototype filter P (z) is said, in the present patent application, coded by the (f) k , 0 , .. jc-i o r ..jn-ι and the application
Figure imgf000017_0001
is called a code. K is called the degree of the code.
Les prototypes OFDM ainsi codés le sont à l'aide de mK paramètres, et on les dit représentés sous forme compacte. Il est en général impossible de représenter un filtre prototype sous forme compacte pour un code donné. Cependant, l'observation des propriétés des filtres optimaux, pour un critère donné, montre qu'ils appartiennent à des sous-ensembles de filtres prototypesThe OFDM prototypes thus coded are coded using mK parameters, and they are said to be represented in compact form. It is generally impossible to represent a prototype filter in compact form for a given code. However, the observation of the properties of the optimal filters, for a given criterion, shows that they belong to subsets of prototype filters
OFDM susceptibles d'être représentés sous forme compacte pour un certain code.OFDM can be represented in compact form for a certain code.
Dans ce cas, la recherche des filtres optimaux, pour des longueurs supérieures, peut se faire dans l'ensemble de filtres représentables sous forme compacte pour ce code. Le nombre de paramètres pour le problème d'optimisation s'en trouve considérablement diminué. Pour un sous-espace donné Rk, le choix d'une base B = (p},..., pκ) détermine le choix des variables dans le problème d'optimisation.In this case, the search for optimal filters, for longer lengths, can be done in the set of filters that can be represented in compact form for this code. The number of parameters for the optimization problem is considerably reduced. For a given subspace R k , the choice of a base B = (p } , ..., p κ ) determines the choice of variables in the optimization problem.
Le comportement des programmes d'optimisation permet de mettre en évidence un éventuel mauvais conditionnement. Il est alors possible de changer de base pour essayer d'améliorer le conditionnement : ceci conduit donc à un nouveau code.The behavior of the optimization programs makes it possible to highlight a possible bad conditioning. It is then possible to change the base to try to improve the packaging: this therefore leads to a new code.
L'annexe 3 présente trois exemples de codes pouvant avantageusement être utilisés. Bien sûr, d'autres codes peuvent être envisagés. 4.2.2.3 Optimisation de la forme compacteAppendix 3 presents three examples of codes that can advantageously be used. Of course, other codes can be considered. 4.2.2.3 Optimization of the compact form
Le choix d'une forme compacte donnée par le code 1 ou 2, avec <4[- conduit nécessairement à une réduction de dimension de l'espace des paramètres et donc à une réduction importante du temps de calcul. De nombreuses optimisations de ce type sont décrites dans les documents [14, 18]. Le tableau 1 (l'ensemble des tableaux la présente demande de brevet sont regroupés en annexe 8) constitue une illustration d'un ensemble de résultats obtenus, pour le critère de localisation, avec le code 2 et un logiciel d'optimisation locale intitulé CFSQP (Feasible Sequential Quadratic Programming in C) [19].The choice of a compact form given by the code 1 or 2, with <4 [- necessarily leads to a reduction of dimension of the space of the parameters and therefore to a significant reduction of the computation time. Many optimizations of this type are described in documents [14, 18]. Table 1 (all the tables in this patent application are grouped in the appendix 8) constitutes an illustration of a set of results obtained, for the location criterion, with code 2 and local optimization software called CFSQP (Feasible Sequential Quadratic Programming in C) [19].
Dans ce tableau Test le temps d'exécution en secondes sur un RISC6000 à 200 MHz, Nf est le nombre d'appels à la fonction objectif. Il est clair que les gains en rapidité n'existent que pour M ≥ 16, c'est-à-dire à partir du moment où on commence à en avoir besoin.In this table Test the execution time in seconds on a RISC6000 at 200 MHz, N f is the number of calls to the objective function. It is clear that the gains in speed only exist for M ≥ 16, that is to say from the moment one begins to need it.
En comparaison les résultats du tableau 2 obtenus ave le code trivial montrent clairement que, hormis pour les faibles valeurs de M où le nombre d'appel plus réduit favorise ce code, la différence en temps augmente de manière quasi exponentielle avec M, alors que l'espace réduit des paramètres ne pénalise que très peu la qualité des résultats.In comparison the results of table 2 obtained with the trivial code clearly show that, except for the low values of M where the smaller number of calls favors this code, the difference in time increases in an almost exponential manner with M, while l reduced space for parameters has very little impact on the quality of the results.
Les exemples de figures 6 et 7 illustrent des formes de réponses typiques de solutions optimales respectivement pour les critères de localisation et d'énergie hors-bande.The examples of FIGS. 6 and 7 illustrate forms of responses typical of optimal solutions respectively for the location and out-of-band energy criteria.
4.2.2.4 Interpolation rapide en fonction de M4.2.2.4 Rapid interpolation as a function of M
La comparaison de l'efficacité relative de deux codes disponibles pour l'optimisation de la localisation ou de l'énergie montre que les meilleurs résultats sont obtenus globalement pour le code numéro 2 avec le degré 8. Nous avons donc retenu ces valeurs de paramètres pour générer une ensemble {Rκ, M, L) quasi-optimal de résultats.The comparison of the relative efficiency of two codes available for the optimization of localization or energy shows that the best results are obtained globally for code number 2 with degree 8. We therefore retained these parameter values for generate a quasi-optimal set (R κ , M, L) of results.
Dans cet ensemble, les valeurs de m sont les valeurs entières comprises entre 1 et 4 et celles de M correspondent à toutes les puissances de 2 des nombres entiers compris entre 3 et 12. L'examen des coefficients angulaires et l'optimum fait apparaître un comportement très régulier des paramètres de la représentation compacte en fonction de M lorsque M décrit un ensemble de puissances de 2 successives. On cherche alors un polynôme de degré fixé en log2M qui approche le mieux, au sens des moindres carrés, l'ensemble des points déjà obtenus, pour chaque paramètre de la représentation compacte. L'optimisation des moindres carrés a pour variables les coefficients de ce polynôme.In this set, the values of m are the integer values between 1 and 4 and those of M correspond to all the powers of 2 of the integers between 3 and 12. Examination of the angular coefficients and the optimum reveals a very regular behavior of the parameters of the compact representation as a function of M when M describes a set of powers of 2 successive. We then look for a polynomial of degree fixed in log 2 M which best approaches, in the sense of least squares, the set of points already obtained, for each parameter of the compact representation. Least squares optimization variables the coefficients of this polynomial.
Des exemples de tels polynômes d'interpolation, de degré 5, sont montrés dans les figures 8 et 9 dans le cas m = 1 pour le code numéro 2 de degré 8 et pour les quatre premiers des 8 paramètres, pour la localisation et l'énergie hors-bande respectivement.Examples of such interpolation polynomials, of degree 5, are shown in FIGS. 8 and 9 in the case m = 1 for code number 2 of degree 8 and for the first four of the 8 parameters, for location and out-of-band energy respectively.
Les tableaux 3 et 4 montrent les résultats de l'interpolation pour des valeurs intermédiaires de M. En général l'écart relatif, noté ε, est très faible entre les solutions interpolées, qui sont obtenues de manière quasi-instantanée, et les solutions optimales. Une interpolation sur une échelle en 11 M pourrait améliorer sensiblement les résultats d'interpolation qui sont de moindre qualité. 4.2.3 Cas du BFDM/OQAMTables 3 and 4 show the results of the interpolation for intermediate values of M. In general, the relative difference, noted ε, is very small between the interpolated solutions, which are obtained almost instantaneously, and the optimal solutions . Interpolation on an 11 M scale could significantly improve the interpolation results which are of lower quality. 4.2.3 Case of the BFDM / OQAM
On se place à présent dans le cas de la situation détaillée au paragraphe 2.1. de l'annexe 1 , c'est-à-dire ou L = 2m et d = 2M - 1. 4.2.3.1 Optimisation des coefficientsWe now move on to the situation detailed in paragraph 2.1. of appendix 1, i.e. where L = 2m and d = 2M - 1. 4.2.3.1 Optimization of the coefficients
L'espace de paramètres initial est alors celui des coefficients en échelle tels que {α) '=l,...2 +l,/=0,...,J 2 -l}.Nous avons ainsi card(P)=(2 +l)j 2 L qui est donc le nombre de degrés de liberté. Les problèmes d'optimisation des coefficients a sont sans contraintes et garantissent parfaitement la biorthogonalité. L'observation des paramètres a obtenus lors d'une optimisation directe montre, aux figures 10 et 11, que pour les deux critères d'optimisation considérés ceux-ci présentent des caractères de continuité qui sont également exploitables pour obtenir des représentations compactes.The initial parameter space is then that of the scale coefficients such as {α) ' = l, ... 2 + l, / = 0, ..., J 2 -l}. We thus have card (P) = (2 + l) j 2 L which is therefore the number of degrees of freedom. The problems of optimizing the coefficients a are without constraints and perfectly guarantee biorthogonality. The observation of the parameters obtained during a direct optimization shows, in FIGS. 10 and 11, that for the two optimization criteria considered these have continuity characters which are also usable for obtaining compact representations.
4.2.3.2 Représentation sous forme compacte En considérant de nouveau l'application définie par (54) (annexe 3), on introduit de nouveau des sous-espaces Rκ de dimension K de l'ensemble des fonctions continues définies sur l'intervalle [0, 0.5]. Rκ est muni d'une base B = (pλ,..., p^) et l'on associe au JT-uplets de coordonnées (x r..jcf) , où j varie entre 1 et 2m+l, des coefficients ) par l'application : a =a φM(D) (59) avec
Figure imgf000020_0001
4.2.3.2 Representation in compact form By considering again the application defined by (54) (appendix 3), one introduces again subspaces R κ of dimension K of the whole of the continuous functions defined on the interval [ 0, 0.5]. R κ has a base B = (p λ , ..., p ^) and we associate with JT-tuples of coordinates (x r ..jcf), where j varies between 1 and 2m + l, coefficients) by the application: a = a φ M (D) (59) with
Figure imgf000020_0001
Contrairement au cas de l'OFDM, les coefficients de la représentation en échelle ne sont pas des angles. Ce sont des paramètres réels, sans comportement périodique, et il n'est donc pas nécessaire d'utiliser une fonction comme la fonction φ.Unlike the OFDM case, the coefficients of the scale representation are not angles. These are real parameters, without periodic behavior, and it is therefore not necessary to use a function like the function φ.
Des codes que l'on peut utiliser sont présentés en annexe 4. 4.2.3.3 Optimisation de la forme compacte BFDMCodes that can be used are presented in appendix 4. 4.2.3.3 Optimization of the compact form BFDM
Comme pour l'OFDM les gains en temps de calcul de la forme compacte BFDM apparaissent dès que K < M/2. Par ailleurs les résultats obtenus en BFDM présentent une particularité lorsque l'on considère le critère de la localisation.As for OFDM, the gains in computation time of the compact form BFDM appear as soon as K <M / 2. Furthermore, the results obtained in BFDM have a particularity when we consider the criterion of localization.
A titre d'exemple on peut examiner les résultats obtenus avec "Cfsqp".As an example, we can examine the results obtained with "Cfsqp".
"Cfsqp" est un logiciel d'optimisation locale. Ainsi avec une initialisation fournie par un prototype à coefficients tous nuls, et quasiment quelles que soient les bornes de variation autorisées pour , nous obtenons les résultats reportés au tableau 5."Cfsqp" is local optimization software. Thus with an initialization provided by a prototype with coefficients all zero, and almost whatever the bounds of variation authorized for, we obtain the results reported in Table 5.
D'autres essais ont été réalisés avec le logiciel "Dega" (Differential Evolution Genetic Algorithm). "Dega" est un algorithme génétique de minimisation globale d'une fonction définie sur un ensemble de variables continues . Avec ce programme disponible sur le webOther tests were carried out with the "Dega" software (Differential Evolution Genetic Algorithm). "Dega" is a genetic algorithm for the global minimization of a function defined on a set of continuous variables. With this program available on the web
(htt ://http icsi .berkeley ,ed u/sorn/code .html) . la capacité d'optimisation globale permet d'obtenir les résultats optimaux obtenus au tableau 6. Il faut noter que dans ce tableau et dans celui présenté ensuite (cf. tableau 8) le nombre d'appel à la fonction objectif (Nj) est fixé a priori. Ces deux types de résultats présentent chacun un intérêt particulier.(htt: // http icsi .berkeley, ed u / sorn / code .html). the global optimization capacity makes it possible to obtain the optimal results obtained in table 6. It should be noted that in this table and in the one presented next (cf. table 8) the number of calls to the objective function (Nj) is fixed a priori. These two types of results are each of particular interest.
- la solution non défective. Les résultats d'optimisation locale (cfsqp) montrent que l'on peut améliorer les résultats de l'OFDM/OQAM, délai et/ou valeur de localisation, sans modifier nettement le comportement fréquentiel. Ainsi à la figure 12, on peut constater que la biorthogonalité permet de réduire le délai, ici s = 0, par rapport à ce que nous obtenons en orthogonal (cf. figure 6). Par contre les réponses en fréquence restent très proches pour un critère donné. - la solution défective. Les résultats d'optimisation globale (Dega) conduisent à des solutions proches de l'optimum absolu. Ainsi qu'on le montre dans une section à venir (§ 4.3) cette solution optimale peut être construite de manière formelle sans optimisation d'aucune sorte. Toutefois, le comportement fréquentiel n'est alors pas aussi satisfaisant qu'avec les solutions qui ne sont pas parfaitement optimales.- the non-defective solution. The local optimization results (cfsqp) show that we can improve the results of the OFDM / OQAM, delay and / or localization value, without significantly modifying the frequency behavior. Thus in Figure 12, we can see that biorthogonality makes it possible to reduce the delay, here s = 0, compared to what we obtain in orthogonal (cf. Figure 6). Through against the frequency responses remain very close for a given criterion. - the defective solution. The global optimization results (Dega) lead to solutions close to the absolute optimum. As shown in a section to come (§ 4.3) this optimal solution can be formally constructed without optimization of any kind. However, the frequency behavior is then not as satisfactory as with the solutions which are not perfectly optimal.
Ainsi que le montre la référence [14], un seul paramètre permet de réaliser une distinction de type par ses valeurs, soit proche de 0 pour une solution non défective ou proche de 1 pour une solution défective.As shown in reference [14], a single parameter allows a type distinction to be made by its values, either close to 0 for a non-defective solution or close to 1 for a defective solution.
Ce comportement particulier lié au critère de localisation ne concerne pas le critère de minimisation hors-bande [14] pour lequel un ensemble de résultats analogue à celui fourni dans les tableaux 5 et 6 est présenté dans les tableaux 7 et 8. 4.2.3.4 Interpolation rapide en fonction de MThis particular behavior linked to the location criterion does not concern the out-of-band minimization criterion [14] for which a set of results similar to that provided in Tables 5 and 6 is presented in Tables 7 and 8. 4.2.3.4 Interpolation fast as a function of M
Le principe de base de cette interpolation est le même que celui décrit pour l'OFDM/OQAM.The basic principle of this interpolation is the same as that described for OFDM / OQAM.
43 Cas des solutions BFDM/OQAM dégénérées à localisation optimale Le cas du phénomène de dégénérescence, souligné au paragraphe 1.1, de l'annexe 1 , amène à examiner plus précisément la pertinence du critère de localisation dans le cas biorthogonal. Cet aspect est détaillé en annexe 5.43 Case of degenerate BFDM / OQAM solutions with optimal location The case of the degeneration phenomenon, underlined in paragraph 1.1, of appendix 1, leads to a more precise examination of the relevance of the location criterion in the biorthogonal case. This aspect is detailed in Annex 5.
4.4 Comportement asymptotique des représentations compactes Connaissant les coefficients des représentations compactes de filtres prototypes optimaux OFDM ou BFDM pour différentes valeurs de M, la méthode d'interpolation a consisté à calculer les coefficients pour la même représentation compacte de filtres prototypes pour les valeurs de M intermédiaires.4.4 Asymptotic behavior of the compact representations Knowing the coefficients of the compact representations of optimal OFDM or BFDM prototype filters for different values of M, the interpolation method consisted in calculating the coefficients for the same compact representation of prototype filters for the intermediate values of M .
Selon une autre approche, détaillée en annexe 6, on peut tenter de comprendre le comportement lorsque M tend vers l'infini des coefficients de la représentation compacte de filtres prototype optimaux. Le nombre de coefficients pour une valeur de M donnée ne dépend pas de la valeur de M. On peut donc se poser une première question : ces coefficients fournissent-ils de bons filtres prototypes pour une valeur de M plus élevée et qui peut être arbitrairement grande ? La réponse attendue est que cela est vraisemblablement le cas si les coefficients optimaux tendent vers une limite lorsque M tend vers l'infini.According to another approach, detailed in appendix 6, we can try to understand the behavior when M tends to infinity of the coefficients of the compact representation of optimal prototype filters. The number of coefficients for a given value of M does not depend on the value of M. We can therefore ask a first question: do these coefficients provide good prototype filters for a higher value of M which can be arbitrarily large ? The expected answer is that this is probably the case if the optimal coefficients tend towards a limit when M tends to infinity.
45. Fonctions prototypes45. Prototype functions
Les résultats établis pour le critère d'énergie supposent dans l'expression (8) (annexe 1) que ωsp=-§- . Naturellement, les méthodes de réduction de paramètres et d'interpolation peuvent être mises en œuvre avec d'autre valeurs de ces deux paramètres, mais cela se traduit malgré tout par des temps de calculs qui deviennent très élevés pour les fortes valeurs de M. Ceci est alors naturellement d'autant plus critique que m est aussi élevé.The results established for the energy criterion assume in expression (8) (appendix 1) that ω s = ω p = -§-. Naturally, the methods of reduction of parameters and of interpolation can be implemented with other values of these two parameters, but this is nevertheless translated by computation times which become very high for the high values of M. This is then naturally all the more critical as m is also high.
On propose en annexe 7 une approche intitulée "fonctions prototypes", qui permet une optimisation rapide pour toute variante du critère d'énergie.An approach entitled "prototype functions" is proposed in appendix 7, which allows rapid optimization for any variant of the energy criterion.
Par ailleurs, dans le cas du critère de localisation, la détermination de fonctions de prototypes, a également permis d'établir des limites théoriques, validant les résultats précédents, mais sans permettre de les améliorer [18]. 4.6. Conclusion On a donc décrit une méthode de réduction de paramètres qui permet le calcul rapide de bancs modulés orthogonaux et biorthogonaux optimaux.In addition, in the case of the location criterion, the determination of prototype functions, also made it possible to establish theoretical limits, validating the previous results, but without allowing them to be improved [18]. 4.6. Conclusion We have therefore described a parameter reduction method which allows the rapid calculation of optimal orthogonal and biorthogonal modulated banks.
Cette méthode permet de traiter des problèmes de dimension, en nombre de sous-bandes et longueur du prototype, jamais atteinte. Elle se caractérise notamment par : - le procédé de réduction de paramètres ;This method makes it possible to deal with problems of dimension, in number of sub-bands and length of the prototype, never reached. It is characterized in particular by: - the process of reducing parameters;
- le procédé d'interpolation rapide ;- the rapid interpolation process;
- les formules analytiques issues des calculs des fonctions limites ;- the analytical formulas resulting from the calculations of the limit functions;
- le procédé de calcul par les fonctions prototypes.- the method of calculation by the prototype functions.
De plus, on a également montré qu'une méthode d'interpolation rapide pouvait permettre d'obtenir des résultats pour un large ensemble de valeurs du nombre de canaux 2M. Dans certains cas la stabilité de la représentation compacte permet même d'obtenir encore plus directement le résultat, en s 'affranchissant de la méthode d'interpolation, et en se basant sur des expressions analytiques simples.In addition, it has also been shown that a rapid interpolation method could make it possible to obtain results for a large set of values of the number of channels 2M. In some cases, the stability of the compact representation even makes it possible to obtain the result even more directly, by freeing oneself from the interpolation method, and by basing oneself on simple analytical expressions.
On a illustré ces méthodes avec de nombreux exemples qui correspondent à des systèmes de modulation multiporteuse de type BFDM/OQAM et OFDM/OQAM, qui sont aussi équivalents aux bancs de filtres des systèmes duaux utilisés en codage en sous-bandes. These methods have been illustrated with numerous examples which correspond to multicarrier modulation systems of the BFDM / OQAM and OFDM / OQAM type, which are also equivalent to the filter banks of the dual systems used in coding in sub-bands.
ANNEXEANNEX
1 Les critères d'optimisation1 Optimization criteria
Le choix du critère d'optimisation des filtres prototypes dépend en général du type d'application envisagé. Dans le cas d'un système de transmission dans un canal statique comme celui de l'ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), un choix usuel est de minimiser l'énergie hors-bande. Pour les canaux de type radio-mobile le modèle de modélisation correspond à un filtre variant dans le temps, le canal est alors dispersif en temps et fréquence. Dans ce cas, où la dimension temporelle et fréquentielle sont également importantes, M. Alard [8] a montré que le critère de localisation temps-fréquence était primordial.The choice of the optimization criteria for the prototype filters generally depends on the type of application envisaged. In the case of a transmission system in a static channel like that of ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), a usual choice is to minimize the out-of-band energy. For radio-mobile type channels, the modeling model corresponds to a time-varying filter, the channel is then dispersive in time and frequency. In this case, where the time and frequency dimension are also important, M. Alard [8] has shown that the time-frequency location criterion is essential.
1.1 La localisation temps- fréquence1.1 The time-frequency location
Pour les signaux à temps continu, il est bien connu que la fonction gaus- sienne est la référence en matière de localisation temps-fréquence où elle atteint la borne fixée par le principe d'incertitude.For continuous time signals, it is well known that the Gaussian function is the reference in terms of time-frequency localization where it reaches the limit fixed by the principle of uncertainty.
Toutefois, il a été montré récemment que pour mesurer la localisation des signaux à temps discret, il était préférable d'utiliser des définitions modifiées des moments temporels et fréquentiels d'ordre 2 [12].However, it has been shown recently that to measure the localization of discrete-time signals, it was preferable to use modified definitions of time and frequency moments of order 2 [12].
Ainsi pour un signal discret x dont la norme est définie parSo for a discrete signal x whose standard is defined by
X Σ \x(k)\* (i) fc-=— oo les définitions proposées par Doroslovacki [12] pour un signal réel sont les suivantes :X Σ \ x (k) \ * (i) fc - = - oo the definitions proposed by Doroslovacki [12] for a real signal are the following:
- centre de gravité temporel :- temporal center of gravity:
Σ (k - l/2) \x(k) + x(k - l)\2 Σ (k - l / 2) \ x (k) + x (k - l) \ 2
T(x) = k=—ooT (x) = k = —oo
(2)(2)
∑ \x(k) + x(k - 1)\2 k=— oo∑ \ x (k) + x (k - 1) \ 2 k = - oo
- moment d'ordre 2 en fréquence :- moment of order 2 in frequency:
1 +0O t2(χ) % ∑ \x(k) - x(k - l)\2 (3)1 + 0O t 2 ( χ )% ∑ \ x (k) - x (k - l) \ 2 (3)
\χ k=— oo moment d'ordre 2 en temps :\ χ k = - oo moment of order 2 in time:
Figure imgf000024_0001
On peut alors dériver de ces grandeurs une mesure de localisation discrète que nous notons ξm0d pour la différencier de la mesure ξ déduite dans les références [13], [3] du cas continu [8]
Figure imgf000024_0001
We can then derive from these quantities a discrete localization measure which we denote by ξ m0d to differentiate it from the measure ξ deduced in references [13], [3] from the continuous case [8]
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0001
Pour tout signal discret x d'énergie finie, c'est-à-dire tel que x G /2(Z), on a 0 < ξ od(^) ≤ 1- Le maximum de localisation, m0d(£) = L est atteint pour une fonction xopt dont la transformée de Fourier s'exprime par Xopt(v) = C\ cos
Figure imgf000025_0002
avec C G C et K > — . La fonction xopt peut donc être considérée comme une fonction homologue en discret de la fonction gaussienne continue. Son expression en temps est telle que a τt , , - Λ °) T(K + 1) (r
For any discrete signal x of finite energy, i.e. such as x G / 2 (Z), we have 0 <ξ od (^) ≤ 1- The maximum location, m0d (£) = L are reached for a function x opt whose Fourier transform is expressed by X opt (v) = C \ cos
Figure imgf000025_0002
with CGC and K> -. The function x opt can therefore be considered as a discrete homologous function of the continuous Gaussian function. Its expression in time is such that a τt,, - Λ °) T (K + 1) (r
où r(.) est la fonction Gamma, avec [r^A;)]"-1 = 0 si A; < 0, k G Z; ΛTOpi(0) est une constante non nulle et r(xopt) est le centre de gravité temporel déduit de (2). Pour obtenir une fonction causale dans l'intervalle [0,L — 1], on peut poser K = L - l e T{x0≠) = i.where r (.) is the Gamma function, with [r ^ A;)] "-1 = 0 if A; <0, k GZ; ΛT O pi (0) is a non-zero constant and r (x opt ) is the temporal center of gravity deduced from (2) .To obtain a causal function in the interval [0, L - 1], we can set K = L - the T {x 0 ≠ ) = i .
Le critère de localisation présente la particularité d'être invariant par translation en temps et fréquence. Cette propriété a des conséquences importantes, ce qui nous permet en particulier de dégager une classe de solutions optimales qui s'obtient directement à partir de la fonction x pi. Ce cas particulier important, est traité dans l'annexe 5.The location criterion has the particularity of being invariant by translation in time and frequency. This property has important consequences, which allows us in particular to identify a class of optimal solutions which is obtained directly from the function x pi . This important particular case is dealt with in Annex 5.
1.2 La minimisation de l'énergie hors-bande1.2 The minimization of out-of-band energy
Le second critère que nous considérons est celui de la minimisation de la norme pondérée de l'erreur en fréquence. La. fonction de pondération, notée W(ω), est définie parThe second criterion that we consider is that of the minimization of the weighted standard of the frequency error. The weighting function, denoted W (ω), is defined by
«Ή = ( S 0 s!i ω ω, i > ωω. en"Ή = ( S 0 s! I ω ω, i> ω ω . En
Dans les résultats que nous présentons dans ce document, nous prenons toujours ωs = ωp = — , mais la méthode proposée s'applique pour toute fonction de pondération positive. Pour un filtre prototype p, dont la transformée de Fourier est F(e), la fonction objectif à minimiser s'écritIn the results that we present in this document, we always take ω s = ω p = -, but the proposed method applies for any positive weighting function. For a prototype filter p, whose Fourier transform is F (e ), the objective function to be minimized is written
Figure imgf000025_0003
Figure imgf000025_0003
Par rapport au critère de localisation, qui pour un prototype de longueur finie se limite à. quelques opérations élémentaires dans le domaine temporel, le critère (8) est nettement plus coûteux en calcul. Pour éviter d'être pénalisé de manière excessive en temps de calcul, nous utilisons une méthode originale de calcul rapide, faisant appel à une seule FFT (Fast Fourier Transform) [14], qui nous garantit néanmoins une grande précision dans les calculs. De plus, dans l'annexe 7, nous présentons, pour toute fonction W d'une variable réelle à valeurs dans [0,1], un algorithme qui accroît encore davantage la rapidité de calcul de la fonction objectif.Compared to the location criterion, which for a prototype of finite length is limited to. some elementary operations in the time domain, criterion (8) is much more costly in calculation. To avoid being penalized excessively in computation time, we use an original method of fast computation, calling upon only one FFT (Fast Fourier Transform) [14], which guarantees us nevertheless a great precision in computations. In addition, in appendix 7, we present, for any function W of a real variable with values in [0,1], an algorithm which further increases the speed of calculation of the objective function.
2 Les conditions de reconstruction parfaite2 The conditions for perfect reconstruction
Les conditions de reconstruction parfaite d'un système modulé, de type banc de filtres ou transmultiplexeur, peuvent généralement s'exprimer en fonction des composantes polyphasés du filtre prototype, p(n) de transformée en z, P(z).The conditions for perfect reconstruction of a modulated system, of the filter bank or transmultiplexer type, can generally be expressed as a function of the polyphase components of the prototype filter, p (n) of transform into z, P (z).
Par exemple pour un système BFDM, ou OFDM, à 2M sous-porteuses, P(z) peut s'écrire sous la formeFor example for a BFDM system, or OFDM, with 2M subcarriers, P (z) can be written in the form
Figure imgf000026_0001
où les Gι(z) sont les composantes polyphasés d'ordre 2 , en fonction desquelles il est possible d'écrire les conditions de reconstruction parfaite pour des systèmes orthogonaux ou biorthogonaux.
Figure imgf000026_0001
where the Gι (z) are the polyphase components of order 2, according to which it is possible to write the conditions of perfect reconstruction for orthogonal or biorthogonal systems.
2.1 Biorthogonalité et représentation en échelle2.1 Biorthogonality and representation in scale
Soient d et s les entiers définis par D — 2sM + d, s > 0 et 0 < d < 2M — 1, on peut alors montrer que les conditions de biorthogonalité des systèmes BFDM/OQAM sont données par [13]Let d and s be the integers defined by D - 2sM + d, s> 0 and 0 <d <2M - 1, we can then show that the biorthogonality conditions of BFDM / OQAM systems are given by [13]
- si 0 < d < M - 1 Gι(z) Gd-ι(z) + z~ GM (z) GM+ -t(z) = ^, si 0 < l < d- if 0 <d <M - 1 Gι (z) G d -ι (z) + z ~ G M (z) G M + - t (z) = ^, if 0 <l <d
Gι(z) G2M+d-ι(z) + GM+ι(z) GM- d-ι(z) =Gι (z) G 2M + d -ι (z) + G M + ι (z) G M - d-ι (z) =
2 ' ά d + l ≤ l ≤ M - 1 (H) si M < d < 2M - 12 'ά d + l ≤ l ≤ M - 1 (H) if M <d <2M - 1
Gι(z) Gd_;( ) + GM+ι(z) Gd_M-.ι(z) = ^— ,Gι (z) G d _; () + G M + ι (z) G d _ M -.ι (z) = ^ -,
(12) si 0 < l < d - M(12) if 0 <l <d - M
Gι(z) Ga-M + z^Gu+ z) GM, d^ z)Gι (z) Ga-M + z ^ Gu + z) G M , d ^ z)
2 ' si d + 1 - M < l < M - 1 (13) Ces conditions sont exactement les mêmes que celles qui ont également été obtenues pour des bancs de filtres biorthogonaux modulés en cosinus, dits DCT II et DCT IV, ou modulés en exponentielle selon la technique dite MDFT (Modified DFT) [5].2 'if d + 1 - M <l <M - 1 (13) These conditions are exactly the same as those which have also been obtained for biorthogonal filter banks modulated in cosine, called DCT II and DCT IV, or modulated in exponential according to the technique called MDFT (Modified DFT) [5].
Les conditions à réaliser suivant la valeur de d peuvent être directement satisfaites si on les impose aux coefficients p(n) du filtre prototype. Pour un critère donné, on aboutit alors à un problème d'optimisation sous contraintes. II est également possible de profiter d'une structure de réalisation, dite en échelle, qui garantit par construction que le filtre prototype va satisfaire les conditions de biorthogonalité. Dans ce cas on se ramène, pour un critère donné, à un problème d'optimisation sans contraintes. C'est l'approche que nous avons développée.The conditions to be achieved according to the value of d can be directly satisfied if they are imposed on the coefficients p (n) of the prototype filter. For a given criterion, we then arrive at an optimization problem under constraints. It is also possible to take advantage of an embodiment structure, called a ladder, which guarantees by construction that the prototype filter will satisfy the conditions of biorthogonality. In this case we are reduced, for a given criterion, to an optimization problem without constraints. This is the approach we have developed.
La construction d'un schéma de réalisation en échelle repose sur une procédure dite de "lifting scheme", dont on peut trouver, par exemple, une description dans la référence [15]. A titre d'exemple, choissisons le paramère d tel que d = 2M — 1. Ce qui pour un transmultiplexeur BFDM/OQAM va se traduire par un retard de reconstruction a = 2(s+l) [13]. Si on suppose par ailleurs que le filtre prototype P a une longueur initiale telle que L = 2mM, avec m entier positif, l'équation de reconstruction (12) se reécritThe construction of a ladder implementation scheme is based on a procedure called "lifting scheme", a description of which can be found, for example, in reference [15]. As an example, let us choose the parameter d such that d = 2M - 1. Which for a BFDM / OQAM transmultiplexer will result in a reconstruction delay a = 2 (s + l) [13]. If we also assume that the prototype filter P has an initial length such that L = 2mM, with m positive integer, the reconstruction equation (12) is rewritten
Gl(z)G2M^l(z) + GM+l(z)GM-ι-ι(z) = ~ ,1 = 0, . . . ,— - 1 ,G l (z) G 2M ^ l (z) + G M + l (z) G M -ι-ι (z) = ~, 1 = 0,. . . , - - 1,
ZM z ( ) ZM z ()
avec s un entier compris entre 0 et m— 1 duquel, ainsi que nous l'avons déjà dit, dépend le retard de reconstruction. On peut montrer que grâce au "lifting scheme", il est possible d'obtenir un filtre prototype P', de composantes polyphasés G\, de longueur supérieure 2(m + )M, mais tel que le délai de reconstruction ne soit pas modifié et que les conditions de biorthogonalité soient toujours vérifiées. La procédure fait intervenir deux matrices A,B et leurs inverses qui sont telles quewith s an integer between 0 and m— 1 on which, as we have already said, the delay in reconstruction depends. We can show that thanks to the "lifting scheme", it is possible to obtain a prototype filter P ', of polyphase components G \, of greater length 2 (m +) M, but such that the reconstruction time is not modified and that the biorthogonality conditions are always checked. The procedure involves two matrices A, B and their inverses which are such that
Figure imgf000027_0001
et
Figure imgf000027_0001
and
>-ι -B(z)> -ι -B (z)
(18) 1 où A(z) et B(z) sont des polynômes en z ' . Le passage du prototype P à. P' se réalise alors si, d'une part, pour chaque paire de composantes polyphasés [GI,GM+I) et> d'autre part, chaque paire de composante (Gd-ι,Gd-M-ι)-> on effectue les transformations définies par les schémas de la figure 1.(18) 1 where A (z) and B (z) are polynomials in z '. The transition from prototype P to. P 'is then realized if, on the one hand, for each pair of polyphase components [G I, G M + I) and> on the other hand, each pair of component (Gd-ι, Gd-M-ι) -> are carried out transformations defined by the diagrams of Figure 1.
Si à la figure 1, on prend A(z) = CLQZ-1 et B(z) — 6o, avec α0 et &o des quantités réelles, on augmente alors la longueur de chaque composante polyphasé de 1, sans modifier le délai.If in Figure 1, we take A (z) = CLQZ -1 and B (z) - 6 o , with α 0 and & o of the real quantities, we then increase the length of each polyphase component by 1, without modifying the delay .
De la même manière on peut conserver la propriété de biorthogonalité en produisant une augmentation du délai, en introduisant des matrices C et D telles que zIn the same way one can preserve the property of biorthogonality by producing an increase in the delay, by introducing matrices C and D such as z
C = (19) c0 i jC = (19) c 0 i j
-'c1 = 1 0 (20)-'c 1 = 1 0 (20)
-co z-i et-co z -i and
1 11 1
D (21)D (21)
0 z ) z-i0 z) z -i
- —d0 - —d 0
D'1 = (22) 0 1 avec c0 et do des nombres réels. La longueur de P'(z) vaut alors 2(m + 1) et le retard de reconstruction a' — 2(s' + 1) = 2 (s + 3) = a + 4. Les schémas en échelle correspondants sont représentés sur la figure 2.D '1 = (22) 0 1 with c 0 and do real numbers. The length of P '(z) is then 2 (m + 1) and the reconstruction delay a' - 2 (s' + 1) = 2 (s + 3) = a + 4. The corresponding scale diagrams are shown in figure 2.
Ces étapes peuvent être itérées pour obtenir, à partir d'un filtre prototype initial, un prototype final avec la longueur et le délai de reconstruction voulus. Il est également possible d'écrire directement l'expression des composantes polyphasés en fonction des paramètres liés à cette représentation en échelle dite (AB,CD). Pour simplifier l'écriture nous allons utiliser celle proposée dans [18] avec la notation qui suitThese steps can be iterated to obtain, from an initial prototype filter, a final prototype with the desired length and reconstruction time. It is also possible to directly write the expression of the polyphase components as a function of the parameters linked to this representation on a so-called scale (AB, CD). To simplify the writing we will use the one proposed in [18] with the following notation
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000028_0001
1 11 1
B(a) = -aB (a) = -a
B- a) (24) 0 1 0B- a) (24) 0 1 0
Figure imgf000028_0002
Figure imgf000028_0002
aat
D(a) —D (a) -
'^W = 1 (26) À chaque quadruplet (Gι,G M-ι-ι,G M+ G2M-ι-ι) lorsque l varie entre 0 et Y — 1 correspondent alors 277? + 1 paramètres notés al k, k = 1, . . . ,2m + 1 qui permettent d'obtenir les composantes polyphasés par la construction suivante. On introduit les entiers ιx et j\ tels que si s est pair, on a s = 2jι et m = H + li + 1 et si s est impair s — 2 j + 1 et m = % + ji + 2. On pose'^ W = 1 (26) To each quadruplet (Gι, G M -ι-ι, G M + G 2M -ι-ι) when l varies between 0 and Y - 1 then correspond 277? + 1 parameters noted at l k , k = 1,. . . , 2m + 1 which allow to obtain the polyphase components by the following construction. We introduce the integers ι x and j \ such that if s is even, we have = 2jι and m = H + li + 1 and if s is odd s - 2 j + 1 and m =% + ji + 2. We set
11
Fn = o ' ' 1 ai, " 1 0 " Fn = o ' ' 1 ai, " 1 0 "
1 0 1 i (27)1 0 1 i (27)
On a alors, pour s pairWe then have, for s even
[G z),GkI+l(z)] =[G z), G kI + l (z)] =
-L= [1 1] F0 f[ A(α )β«3) Il C( +2j+2)D( +2j+3) , (28) ι=l et-L = [1 1] F 0 f [A (α) β " 3 ) Il C ( + 2j + 2 ) D ( + 2j + 3 ), (28) ι = l and
(29)
Figure imgf000029_0001
(29)
Figure imgf000029_0001
Pour s impair, après avoir défini FQ, on poseFor s odd, after defining FQ, we ask
Go = F0C(a4 l )B(a5 l ) , (30) de sorte que
Figure imgf000029_0002
et l'on a
Go = F 0 C (a 4 l ) B (a 5 l ), (30) so that
Figure imgf000029_0002
and we have
C(Ω -( 27+4 l-D(û 2ÎH 2J+5 5) (32)
Figure imgf000029_0003
et
C (Ω - (2 7 +4 lD (û 2ÎH 2J + 5 5 ) (32)
Figure imgf000029_0003
and
Figure imgf000029_0004
Figure imgf000029_0004
Dans l'ensemble des articles dont nous avons connaissance les auteurs supposent, ou affirment [5], que cette structure est complète, c'est-à-dire qu'elle couvre l'ensemble des solutions biorthogonales de type RIF. Si on se limite strictement aux matrices que nous venons de présenter, ceci n'est pas tout à fait exact car, ainsi que nous le montrons à la référence [18], il existe des cas défectifs, qui néanmoins peuvent être contournés sans dégrader significa- tivement la qualité des résultats. Nous prendrons donc la paramétrisation en échelle comme base de référence. 2.2 Orthogonalité et représentation en treillisIn all of the articles of which we are aware, the authors assume, or assert [5], that this structure is complete, that is to say that it covers all the biorthogonal solutions of RIF type. If we strictly limit ourselves to the matrices which we have just presented, this is not completely exact because, as we show it with the reference [18], there are defective cases, which nevertheless can be circumvented without degrading significantly. - the quality of the results. We will therefore take parametrization on a scale as a reference base. 2.2 Orthogonality and trellis representation
Dans le cas où on impose au prototype d'être orthogonal, ce qui l'oblige alors à être également symétrique, lorsque l'on suppose que le prototype du banc d'analyse est identique à celui de synthèse, les conditions précédentes se simplifient. Les conditions d'orthogonalité se réduisent alors à l'équation qui suitIn the case where the prototype is required to be orthogonal, which then requires it to be also symmetrical, when it is assumed that the prototype of the analysis bench is identical to that of synthesis, the preceding conditions are simplified. The orthogonality conditions are then reduced to the following equation
Gt(z) Gι(z) + Gl+M(z) GM+l(z) = ^ 0 < l < M - 1 (34) avec 7 qui est l'opération de paraconjuguaison, i.e. Gι (z) = G (z~l).G t (z) Gι (z) + G l + M (z) G M + l (z) = ^ 0 <l <M - 1 (34) with 7 which is the paraconjugation operation, ie Gι (z ) = G (z ~ l ).
Cette condition de reconstruction, dans le cas orthogonal, qui est celle des systèmes OFDM/OQAM à 2M sous-porteuses [3] est aussi celle des bancs modulés en cosinus à M sous-bandes [7].This reconstruction condition, in the orthogonal case, which is that of OFDM / OQAM systems with 2M subcarriers [3] is also that of banks modulated in cosine with M sub-bands [7].
Comme dans le cas biorthogonal, il existe aussi en orthogonal une représentation qui, par construction, garantit que la relation (34) est toujours vérifiée. De plus cette représentation, dite treillis, est complète [7]. Si, pour simplifier l'écriture, nous prenons à nouveau une longueur L — 2mM, les composantes polyphasés vérifient alors pour 0 < / < - 1, les relations qui suiventAs in the biorthogonal case, there is also in orthogonal a representation which, by construction, guarantees that the relation (34) is always verified. In addition, this representation, called trellis, is complete [7]. If, to simplify the writing, we again take a length L - 2mM, the polyphase components then check for 0 </ <- 1, the relations which follow
Gι(z) z-^-^G2M-ι-ι z) , (35)Gι (z) z - ^ - ^ G 2M -ι-ι z), (35)
GM+I (Z) Z-^GM-^Z) , (36) y-(m-l)GM + I (Z) Z- ^ GM- ^ Z), (36) y - (ml)
GI (Z)G2M-I-I (Z) + G M+I(Z)G M-I-I {Z) - (37)GI (Z) G 2 M- I - I (Z) + G M + I (Z) G MII {Z) - (37)
2M Pour construire la représentation treillis nous définissons les matrices2M To build the lattice representation we define the matrices
' 1 0 ' 1 0
Λ(z) = (38)Λ (z) = (38)
0 z-1 ' z-1 0 " 0 z- 1 ' z- 1 0 "
T(z) = (39) 0 1 •>T (z) = (39) 0 1 •>
cos θ sin θ θ(θ) = (40) sin θ — cos θcos θ sin θ θ (θ) = (40) sin θ - cos θ
Pour chaque l = 0, . . . ,M/2 — 1, il existe alors m angles θ0 l ,θ[, . . . ,^-ι te^s que les composantes 2 -polyphases GI(Z),GM+I(Z) ,GM-I-I(Z) et G2M-I-I(Z) s'obtiennent par les relations matricielles :For each l = 0,. . . , M / 2 - 1, then there are m angles θ 0 l , θ [,. . . , ^ - ι te ^ s that the components 2 -polyphases GI (Z), G M + I (Z), GM- I - I (Z) and G 2 M- I - I (Z) are obtained by the relations matrix:
[Gt(z) GM+l(z)} = (2)Θ(f [) , (41)
Figure imgf000030_0001
[G t (z) G M + l (z)} = ( 2 ) Θ (f [), (41)
Figure imgf000030_0001
G2M-ι-ι{z) 1 m— 1 2)G 2M -ι-ι {z) 1 m— 1 2)
GM-I-I(Z) 2M II θβ)r(*) cos flή (4GM-II (Z) 2M II θβ) r ( * ) cos flή (4
A-=l sin f?ήA- = l sin f? Ή
La représentation treillis permet donc également de réduire la dimension de l'espace des paramètres, tout en assurant les propriétés d'orthogonalité et de complétude, nous la prendrons donc comme référence dans le cas orthogonal. ANNEXE 2 Le contexte d'application BFDM/OQAMThe lattice representation therefore also makes it possible to reduce the dimension of the parameter space, while ensuring the properties of orthogonality and completeness, we will therefore take it as a reference in the orthogonal case. APPENDIX 2 The BFDM / OQAM application context
Il existe donc plusieurs systèmes basés sur les bancs de filtres modulés et dont la propriété de reconstruction parfaite peut se ramener à des conditions données suivant le cas par l'une ou l'autre des relations (10) à (13), dans le cas biorthogonal, ou encore à la relation (34), dans le cas orthogonal.There are therefore several systems based on modulated filter banks and whose property of perfect reconstruction can be reduced to conditions given depending on the case by one or other of relations (10) to (13), in the case biorthogonal, or even to relation (34), in the orthogonal case.
A titre d'illustration, nous allons résumer brièvement la manière d'aboutir aux équations (10) à (13) dans le cas de la modulation multiporteuse BFDM/OQAM. Pour plus de détails sur les calculs on pourra se référer à [2, 11, 16].By way of illustration, we will briefly summarize the way of arriving at equations (10) to (13) in the case of BFDM / OQAM multicarrier modulation. For more details on the calculations one can refer to [2, 11, 16].
1 Description du cas continu1 Description of the continuous case
Si 2τo et 0 désignent respectivement la durée d'un temps symbole complexe et l'écart entre porteuses, on sait que l'enveloppe complexe d'un signal BFDM/OQAM peut s'écrire sous la forme [16]If 2τo and 0 respectively designate the duration of a complex symbol time and the difference between carriers, we know that the complex envelope of a BFDM / OQAM signal can be written in the form [16]
+oo K-l+ oo K-l
SW = Σ Σ am.,nJm,n (t). (43) n=— oom=0 avec
Figure imgf000031_0001
où ψm,n est un terme de phase tel que φm> n+ι — Ψm;in ≡ § modulo π.
S W = Σ Σ a m., NJm, n (t). (43) n = - oom = 0 with
Figure imgf000031_0001
where ψ m , n e is a phase term such as φ m> n + ι - Ψ m ; in ≡ § modulo π.
L'efficacité spectrale maximale est alors obtenue pour ι 0ro = . A la démodulation les conditions de biorthogonalité réelle sont réalisées si l'on démodule sur une base { m,n} telle que {7m,n>7m,n} constitue une paire de bases biorthogonales.The maximum spectral efficiency is then obtained for ι 0 ro =. At demodulation, the real biorthogonality conditions are realized if one demodulates on a base { m , n } such that {7 m , n> 7 m , n} constitutes a pair of biorthogonal bases.
2 Description du cas discret2 Description of the discrete case
Si on prend un nombre de porteuses K = 2M, la version discrète des équations (43) et (44) se traduit par les relationsIf we take a number of carriers K = 2M, the discrete version of equations (43) and (44) results in the relations
+∞ 2M-1+ ∞ 2M-1
SW = Σ Σ Û!W,n7m,n[fc], (45) n=— oo m=0 avec S W = Σ Σ Û! W, n7m, n [fc], (45) n = - oo m = 0 with
Figure imgf000031_0002
où p(n) est le prototype causal de longueur L et D est le paramètre entier défini au paragraphe 2.1. A la réception pour retrouver les symboles transmis on doit projeter le signal BFDM/OQAM modulé sur une base ηm>n qui doit être biorthogonale à la base de fonctions m,„, on réalise donc l'opération qui suit
Figure imgf000031_0002
where p (n) is the causal prototype of length L and D is the integer parameter defined in paragraph 2.1. At reception to find the transmitted symbols we must project the BFDM / OQAM signal modulated on a base η m> n which must be biorthogonal to the base of functions m, „, we therefore carry out the following operation
Figure imgf000032_0001
où * désigne le complexe conjugué. On peut montrer que 7m, [fc] s'écrit
Figure imgf000032_0001
where * denotes the conjugate complex. We can show that 7 m , [fc] is written
ï'm,n[k] = 7[fc - nM}ej&rm(k-nM-! l)f (48)ï ' m, n [k] = 7 [fc - nM} e j & r m (k - nM - ! l) f (48)
3 Formulation sous forme de transmultiplexeur3 Formulation in the form of a transmultiplexer
Les équations de modulation et de démodulation peuvent également se mettre sous forme de. bancs de filtres. Ainsi nous avons montré [11], [2] qu'en posantThe modulation and demodulation equations can also be in the form of. filter banks. Thus we have shown [11], [2] that by posing
/m(fc) = v^ p[*]e>" m<*-^ (49) le système de modulation BFDM correspond à un banc de synthèse. De même, à la réception, si on pose D — aM — b, avec α et b des entiers positifs, on peut définir un ensemble de 2M filtres (0 < m < 2M — 1), qui correspondent au banc d'analyse que l'on peut utiliser pour la démodulation/ m (fc) = v ^ p [*] e>"m<* - ^ (49) the BFDM modulation system corresponds to a synthesis bench. Similarly, at reception, if we set D - aM - b , with α and b positive integers, we can define a set of 2M filters (0 <m <2M - 1), which correspond to the analysis bench that we can use for demodulation
Figure imgf000032_0002
avec p[k] = -γ[D - k].
Figure imgf000032_0002
with p [k] = -γ [D - k].
Dans ce qui suit on se limitera au cas où p = p. Dans ces conditions si nous exprimons les filtres d'analyse et de synthèse en fonction des composantes polyphasés Gι(z) du prototype,In what follows we will limit ourselves to the case where p = p. Under these conditions if we express the analysis and synthesis filters as a function of the polyphase components Gι (z) of the prototype,
2M-12M-1
Fm (z) = 2 ∑ e^'-^.-'G^), (51)F m (z) = 2 ∑ e ^ '- ^ .-' G ^), (51)
;=o
Figure imgf000032_0003
; = O
Figure imgf000032_0003
nous pouvons, ensuite déterminer les conditions de reconstruction parfaite sous la forme donnée par les équations (10) à (13) [11, 2].we can then determine the conditions for perfect reconstruction in the form given by equations (10) to (13) [11, 2].
Le cas de l'OFDM/OQAM peut se déduire avec le même principe de calcul, ou encore comme un cas particulier du cas biorthogonal. ANNEXE 3 Codes pour l'OFDM/OQAMThe case of OFDM / OQAM can be deduced with the same principle of calculation, or even as a particular case of the biorthogonal case. APPENDIX 3 Codes for OFDM / OQAM
Compte tenu du fait qu'à, l'optimum θf est borné entre 0 et π, il est possible de ne considérer que les cosinus de ces paramètres angulaires. Les nouveaux paramètres varient donc dans l'intervalle [0,1]. Comme certains des programmes d'optimisation ne considèrent que des variables non bornées, nous nous ramenons à des paramètres réels x auquels correspondent les cosinus d'angles par l'application définie parGiven the fact that, at the optimum θf is bounded between 0 and π, it is possible to consider only the cosines of these angular parameters. The new parameters therefore vary in the interval [0,1]. As some of the optimization programs consider only unbounded variables, we reduce ourselves to real parameters x to which the cosines of angles correspond by the application defined by
Remarquons que siNote that if
10 ∞sfl ≈ - i , (54)10 ∞sfl ≈ - i , (54)
VI + alorsVI + then
Figure imgf000033_0001
pour θ dans [0,π]. i c On considère l'application u de {0, . . . , — 1} à valeurs dans l'intervalle
Figure imgf000033_0001
for θ in [0, π]. ic We consider the map u of {0,. . . , - 1} with values in the interval
[0,0.5] définie par 1 [0,0.5] defined by 1
*«<') = Ï - ^* " <' ) = Ï - ^
Les coefficients angulaires dans la base B sont alors donnés parThe angular coefficients in the base B are then given by
0 cos ) = Φ (∑ *P* ( *))) (57) 0 cos) = Φ (∑ * P * (*))) (57)
Pour l'instant nous avons utilisé 3 codes. Il est bien entendu possible d'en rajouter de nouveaux.For the moment we have used 3 codes. It is of course possible to add new ones.
Code n° 0 - Le code trivial. On choisit K — Y et pour espace lZχ l'espace engendré par les fonctions génératrices des points ΦM (1),1 = 0, - - - ,γ — 1, c'est- à-dire i \ i , f 1 si x = φM(k - 1) ,ccΛ *) = -uto = O sinon (58)Code # 0 - The trivial code. We choose K - Y and for space lZχ the space generated by the generating functions of the points Φ M (1), 1 = 0, - - -, γ - 1, i.e. i \ i, f 1 if x = φ M (k - 1), ccΛ *) = -uto = O otherwise (58)
1. Cette application n'est bien entendu pas le seul choix possible. En particulier on a pu constaté avec un code, le 12, modification du code 2 où ΦM (1) ≈ ^ ti+ri1. This app is of course not the only choice. In particular, we were able to observe with a code, 12, modification of code 2 where ΦM (1) ≈ ^ ti + ri
2M -, que l'on retrouvait des résultats identiques à ceux obtenus avec le code 2.2M -, that we found results identical to those obtained with code 2.
0 Dans ce cas cosf?- = Φ(xi l +1),l — 0, . . . ,γ - \,i = 0, . . . ,m - 1.0 In this case cosf? - = Φ (x i l +1 ), l - 0,. . . , γ - \, i = 0,. . . , m - 1.
Code n° 1.- Pour K > 0, 71% est le sous-espace des polynômes de degré inférieur ou égal à K — 1. On obtient alorsCode n ° 1.- For K> 0, 71 % is the subspace of polynomials of degree less than or equal to K - 1. We then obtain
cosθl = φ . (59)
Figure imgf000034_0001
cosθl = φ. (59)
Figure imgf000034_0001
Code n° 2 - Pour K > 0, lZκ est encore le sous-espace des polynômes de degré inférieur ou égal à. K — 1, mais la base choisie est celle des polynômes de Chebyshev. On obtient alorsCode n ° 2 - For K> 0, lZκ is still the subspace of polynomials of degree less than or equal to. K - 1, but the base chosen is that of the Chebyshev polynomials. We then obtain
cos . (60)
Figure imgf000034_0002
cos. (60)
Figure imgf000034_0002
ANNEXE 4 Codes pour le BFDM/OQAMAPPENDIX 4 Codes for the BFDM / OQAM
Code n° 0 - Le code trivial. Il correspond à K — — et les coefficients xl l = 0, . . . ,γ — 1, j = 0, . . . ,2m sont les coefficients α^+1, l = 0, . . . ,γ — 1, j = 0, . . . ,2mCode # 0 - The trivial code. It corresponds to K - - and the coefficients x l l = 0,. . . , γ - 1, j = 0,. . . , 2m are the coefficients α ^ +1 , l = 0,. . . , γ - 1, j = 0,. . . 2m
Code n° 1.- L'espace IZjς est constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K — 1 représenté par leurs coefficients. On obtientCode n ° 1.- The space IZjς consists of polynomials of degree less than or equal to K - 1 represented by their coefficients. We obtain
(61)
Figure imgf000035_0001
(61)
Figure imgf000035_0001
Code n° 2.- L'espace !Zχ est toujours constitué des polynômes de de- gré inférieur ou égal à K — 1 mais les polynômes sont représentés par leur développement de Chebyshev. On obtient alorsCode n ° 2.- The space! Zχ is always made up of polynomials of degree less than or equal to K - 1 but the polynomials are represented by their Chebyshev development. We then obtain
Xj k(4φM(l) - 1) , j = 0, . . . ,2m . (62)
Figure imgf000035_0002
où les Tk sont les polynômes de Chebyshev. Code n° 3.- L'espace lZχ est le sous-espace des polynômes p de degré inférieur ou égal à 2K — 1 vérifiant p(x + ) + p(x — ) = 2p( ), c'est-à-dire dont le graphe est symétrique par rapport au point ( ,p( )). On obtient alors
X jk (4φ M (l) - 1), j = 0,. . . , 2m. (62)
Figure imgf000035_0002
where the T k are the Chebyshev polynomials. Code n ° 3.- The space lZχ is the subspace of the polynomials p of degree less than or equal to 2K - 1 satisfying p (x +) + p (x -) = 2p (), that is to say say whose graph is symmetrical with respect to the point (, p ()). We then obtain
°i+ι ≈ *J + , = 0, ... ,2m . (63)
Figure imgf000035_0003
° i + ι ≈ * J +, = 0, ..., 2m. (63)
Figure imgf000035_0003
Code n° 4.- L'espace 1Zχ est le même que pour le code 3 mais on choisit une représentation de Chebyshev. On obtient alors κ-ι αj+ι = χ 3 0 + @ΦM (l) ~ 1) , j = 0, • • • ,2m . (64)
Figure imgf000035_0004
Code n ° 4.- The space 1Zχ is the same as for code 3 but we choose a representation of Chebyshev. We then obtain κ-ι α j + ι = χ 3 0 + @ ΦM (l) ~ 1), j = 0, • • •, 2m. (64)
Figure imgf000035_0004
ANNEXE 5APPENDIX 5
Le théorème suivant montre que l'on peut obtenir un filtre BFDM de localisation de Doroslovacki aussi proche que l'on veut de 1, quelles que soient les valeurs des paramètres M, m et s .The following theorem shows that one can obtain a BFDM filter of Doroslovacki localization as close as one wants to 1, whatever the values of the parameters M, m and s.
Théorème 1 - Soit M pair, m > 1 entier, s entier dans l'intervalle 0.. m— 1 et ε > 0, il existe un filtre prototype BFDM P(z) de paramètres M, m et s vérifiant ξmod[P) > 1- ε.Theorem 1 - Let M be even, m> 1 integer, s integer in the interval 0 .. m— 1 and ε> 0, there is a prototype BFDM filter P (z) with parameters M, m and s satisfying ξ mod [ P)> 1- ε.
Démonstration.- Soit H(z) un filtre quelconque de longueur M défini parProof.- Let H (z) be any filter of length M defined by
M-1M-1
H(z) = ∑ h,2- , (65) ι=0 avec hτ 0,ι = 0, ... ,M — 1. On considère le filtre P(z) défini parH (z) = ∑ h, 2 -, (65) ι = 0 with h τ 0, ι = 0, ..., M - 1. We consider the filter P (z) defined by
2JW-12JW-1
P(z) = z~ sMH(z) + ∑ z-lK,(z2M). (66) τ=MP ( z ) = z ~ sM H (z) + ∑ z- l K, (z 2M ). (66) τ = M
Il est facile de voir que les composantes 2 -polyphases de P(z) sont données parIt is easy to see that the 2-polyphase components of P (z) are given by
J hz~s si 0 < 1 < M - 1 , tW ~ iv,(z) sïM <ι<2M-l. {0,) J hz ~ s if 0 <1 <M - 1, tW ~ iv, (z) sïM <ι <2M-l. {0,)
Les conditions de biorthogonalité (14) s'écrivent alorsThe biorthogonality conditions (14) are then written
1 M hιI2M-ι-ι(z) + hM-ι-ιI<M+ι(z) = —, 1-0, ..,-—- 1. (68)1 M hιI 2M -ι-ι (z) + h M -ι-ιI <M + ι (z) = -, 1-0, .., -—- 1. (68)
On peut alors choisir, pour tout l de 0..M/2 — 1, K2M-I(Z) de façon arbitraire, puis déterminer KMΛI(Z) tel queWe can then choose, for all l of 0..M / 2 - 1, K 2 M- I ( Z ) arbitrarily, then determine KMΛ I (Z) such that
Figure imgf000036_0001
puisque
Figure imgf000036_0002
n'es pas nul. Pour tout a > 0, le filtre
Figure imgf000036_0001
since
Figure imgf000036_0002
are not zero. For all a> 0, the filter
2M-1 P (z) = az-2sMH(z) + - ∑ z~lKt(z2M) (70)2M-1 P (z) = az- 2sM H (z) + - ∑ z ~ l K t (z 2M ) (70)
vérifie alors également les relations de biorthogonalité. Grâce à l'homogénéité de la fonction ξmo , on athen also verifies the relations of biorthogonality. Thanks to the homogeneity of the function ξ mo , we have
ξm d{Pa) ~ Çmod(-Pa) , (71) α Lorsque a tend vers 0, le filtre (-^Pa) tend vers le filtre H(z) et par continuité de la fonction ξm0d, le second membre de (71 ) tend vers ξmwz(H). II suffit alors de choisir pour H(z) le filtre de longueur M qui vérifie ξmod(H) = 1 et a suffisamment petit pour que ξmod(Pa) > 1 — ε. Dξm d {Pa) ~ Çmod (-Pa), (71) α When a tends to 0, the filter (- ^ P a ) tends to the filter H (z) and by continuity of the function ξ m0d , the second member of (71) tends to ξ mw z (H). It then suffices to choose for H (z) the filter of length M which satisfies ξ mod (H) = 1 and has small enough that ξ mod (P a )> 1 - ε. D
Autrement dit il suffit de se reporter au paragraphe 1.1 et de choisir pour H(z) des coefficients donnés par l'expression (6). Les autres coefficients du prototype se déduisent alors directement grâce à l'expression (70).In other words, it suffices to refer to paragraph 1.1 and to choose for H (z) coefficients given by expression (6). The other coefficients of the prototype are then deduced directly thanks to expression (70).
Il est aussi évidemment possible d'itérer cette construction pour obtenir un support plus petit de la partie significative du filtre. On peut aussi faire en sorte que cette partie significative (H(z)) soit portée par d'autres composantes polyphasés adjacentes. It is also obviously possible to iterate this construction to obtain a smaller support for the significant part of the filter. We can also ensure that this significant part (H (z)) is carried by other adjacent polyphase components.
ANNEXE 6APPENDIX 6
Un premier paragraphe donne une étude détaillée du cas OFDM pour m — 1 lorsque la fonction coût est la localisation ou bien l'énergie hors-bande.A first paragraph gives a detailed study of the OFDM case for m - 1 when the cost function is localization or out-of-band energy.
Ensuite l'existence d'une limite est étudiée expérimentalement dans le cas OFDM et BFDM pour m > 2.Then the existence of a limit is studied experimentally in the case OFDM and BFDM for m> 2.
1 Comportement asymtotique lorsque M — >• oo dans le cas OFDM pour m = 11 Asymtotic behavior when M -> • oo in the OFDM case for m = 1
1.1 Lemmes techniques1.1 Technical Lemmas
Pour exploiter pleinement le comportement à la limite des filtres prototypes de longueur 2M lorsque M devient grand (cf. section 1.2), nous utilisons les 2 lemmes qui suivent.To fully exploit the behavior at the limit of prototype filters of length 2M when M becomes large (see section 1.2), we use the following 2 lemmas.
Lemme 1 - Soit p(t) un polynôme de degré 2k + l,k > 0 vérifiant la propriété de symétrie : p(i) + p(l - i) = l , (72) et tel que p(0) = 1 (et donc p(l) = 0). Alors il existe des constantes α,;,i = 1, . . . ,fc telles que :Lemma 1 - Let p (t) be a polynomial of degree 2k + l, k> 0 satisfying the property of symmetry: p (i) + p (l - i) = l, (72) and such that p (0) = 1 (and therefore p (l) = 0). Then there are constants α,;, i = 1,. . . , fc such as:
p(i) = i - t + (2t - 1) ∑ aj(l - if (73)p (i) = i - t + (2t - 1) ∑ aj (l - if (73)
Démonstration.- Cf. [18].Demonstration.- See [18].
Lemme 2 - Soit θ(t) une fonction continue sur [0, ] et 2n + 1 fois conti- nυement dérivable sur [0, ] avec 1 < n < co et vérifiantLemma 2 - Let θ (t) be a continuous function on [0,] and 2n + 1 time continuously differentiable on [0,] with 1 <n <co and satisfying
Figure imgf000038_0001
Figure imgf000038_0001
Soit h(t) la fonction définie sur [0,1] parLet h (t) be the function defined on [0,1] by
Figure imgf000038_0002
Figure imgf000038_0002
Pour k vérifiant 1 < A: < n, h(i) est 2k + 1 dérivable à gauche en t = si et seulement siFor k satisfying 1 <A: <n, h (i) is 2k + 1 differentiable on the left at t = if and only if
0<2i> = OJ i = l, . . . ,fc . (76)0 < 2i > = O J i = l,. . . , fc. (76)
Démonstration - Cf. [18]. Corollaire - Avec un hypothèse supplémentaire, Panalycité de θ(t) dans un disque du plan complexe centré en t — de rayon supérieur à , et en supposant également que le degré de θ(t) est de 2k + 1, on obtient l'expressionDemonstration - See [18]. Corollary - With an additional hypothesis, the analysis of θ (t) in a disc of the complex plane centered in t - of radius greater than, and also assuming that the degree of θ (t) is 2k + 1, we obtain the expression
θ(t) = ( 1 - t + (2t - 1) ∑ α, (1 - tγ) , (77) où les at,i = 1, . . . ,k sont des coefficients.θ (t) = (1 - t + (2t - 1) ∑ α, (1 - tγ), (77) where the a t , i = 1,..., k are coefficients.
55
1.2 Propriétés de convergence1.2 Convergence properties
Pour une représentation compacte donnée, et quelle que soit la valeur fixée de m, le nombre de coefficients de cette représentation est constant et égal à mK où K est le degré du code. Dans le cas particulier où m — 1, on constate que les coefficients de la représentation compacte des filtres OFDM optimaux de longueur 2M, pour une fonction coût donnée, convergent vers une limite. On 0 peut donc considérer que cette limite est presque atteinte avec les coefficients d'un filtre optimal de longueur 2M avec M assez grand et considérer les filtres de paramètre M' différent de M et de longueur 2M' avec les mêmes coefficients.For a given compact representation, and whatever the fixed value of m, the number of coefficients of this representation is constant and equal to mK where K is the degree of the code. In the particular case where m - 1, we note that the coefficients of the compact representation of optimal OFDM filters of length 2M, for a given cost function, converge towards a limit. We can therefore consider that this limit is almost reached with the coefficients of an optimal filter of length 2M with M large enough and consider the filters of parameter M 'different from M and of length 2M' with the same coefficients.
Il est intéressant de comparer la valeur de la fonction coût sur ce résultat à la valeur optimale pour la longueur 2M'. L'ordonnée des courbes de la figure 13 représente le logarithme en base 10 de la valeur absolue de l'erreur relative commise pour la localisation en remplaçant le filtre optimal, pour une valeur de M' donnée en abscisse, par le filtre obtenu par le procédé décrit ci-dessus. 5 L'opposé de cette ordonnée représente donc, en continu, le nombre de décimales exactes dans l'obtention du coût optimal.It is interesting to compare the value of the cost function on this result with the optimal value for the length 2M '. The ordinate of the curves in FIG. 13 represents the base 10 logarithm of the absolute value of the relative error committed for the location by replacing the optimal filter, for a value of M 'given on the abscissa, by the filter obtained by the process described above. 5 The opposite of this ordinate therefore represents, continuously, the number of exact decimal places in obtaining the optimal cost.
On considère les cinq valeurs M = 128,256,1024,4096 = 212 et 32768 = 215.We consider the five values M = 128,256,1024,4096 = 2 12 and 32,768 = 2 15 .
Les courbes de la figure 13 montrentThe curves in Figure 13 show
- qu'il existe bien une limite lorsque M' → oo puisque les courbes ont une asymptote horizontale,- that there is indeed a limit when M '→ oo since the curves have a horizontal asymptote,
- que les 8 paramètres de la représentation compacte (code 2, degré 8) du Q filtre optimal pour M = 1024, = 2048 permettent d'obtenir des filtres de paramètres M' JJ ≈ 2M', M' pair, avec la localisation optimale à 10~6 d'erreur relative près si M' > 27.- that the 8 parameters of the compact representation (code 2, degree 8) of the optimal Q filter for M = 1024, = 2048 allow to obtain filters of parameters M 'JJ ≈ 2M', M 'even, with the optimal localization to 10 ~ 6 of relative error near if M '> 2 7 .
La figure 14 reprend des calculs similaires pour la fonction coût énergie hors-bande et permet de tirer des conclusions identiques. Cette propriété peut ensuite être mise à profit pour calculer, comme en section 1.1, des expressions analytiques pour les coefficients transverses. 5Figure 14 shows similar calculations for the out-of-band energy cost function and allows identical conclusions to be drawn. This property can then be used to calculate, as in section 1.1, analytical expressions for the transverse coefficients. 5
1.3 Régularité du filtre limite et formules analytiques simples1.3 Regularity of the limit filter and simple analytical formulas
L'analyse des propriétés des coefficients de la réponse impulsionnelle à l'optimum révèle des comportements proches de ceux décrits par ces modèles mathématiques, ce qui nous permet de déduire ensuite des formule simples des coefficients transverses qui fournissent des résultats quasi-optimaux pour de grandes valeurs paires de M.The analysis of the properties of the coefficients of the impulse response to the optimum reveals behaviors close to those described by these mathematical models, which allows us to deduce then simple formulas of the transverse coefficients which provide quasi-optimal results for large even values of M.
Nous présentons ici le cas où L — 2M, mais on peut préciser que la méthode se généralise pour de valeurs de m supérieures à 1 [18].We present here the case where L - 2M, but we can specify that the method is generalized for values of m greater than 1 [18].
Un filtre prototype OFDM P(z) de paramètres M pair et de longueur 2M dont les coefficients tranversaux sont hi,i = 0, . . . ,2 — 1, possède une représentation treillis (triviale) avec M/2 angles θι,l = 0, . . . ,M/2 — 1 avec, pour 1 = 0, . . . ,M/2 - 1, hι = t -i-i = sin 0j , hM-ι-ι = hM+ι = cos θi . (78)A prototype OFDM filter P (z) of parameters M even and of length 2M whose transverse coefficients are hi, i = 0,. . . , 2 - 1, has a lattice representation (trivial) with M / 2 angles θι, l = 0,. . . , M / 2 - 1 with, for 1 = 0,. . . , M / 2 - 1, hι = t -ii = sin 0j, h M -ι-ι = h M + ι = cos θi. (78)
Comme les θι sont les valeurs d'une fonction sur l'intervalle [0,0.5] définie en les points -j^O- ,1 = 0, . . . ,M/2 — 1, alors par composition avec les fonctions sinus et cosinus, et avec des fonctions de translation et de symétrie de l'intervalleAs the θι are the values of a function on the interval [0,0.5] defined in the points -j ^ O-, 1 = 0,. . . , M / 2 - 1, then by composition with the sine and cosine functions, and with translation and interval symmetry functions
[0,0.5], les coefficients hul — 0, . . . ,2M — 1 peuvent être représentés comme les valeurs d'une fonction définie sur l'intervalle [—1, + 1].[0,0.5], the coefficients h u l - 0,. . . , 2M - 1 can be represented as the values of a function defined on the interval [—1, + 1].
Cas du critère de localisationLocation criterion
Dans le cas du critère de localisation nous obtenons le résultat représenté à la figure 15 dans le cas M = 32 et M = 1024. Les coefficients du filtre de longueur 64 (M = 32) sont représentés par des points tandis que le tracé est continu pour le filtre de longueur 2048. Les coefficients des filtres sont normalisés de façon à ce que l'énergie totale soit égale à M. On constate que la courbe limite est très régulière.In the case of the location criterion we obtain the result represented in figure 15 in the case M = 32 and M = 1024. The coefficients of the filter of length 64 (M = 32) are represented by points while the plot is continuous for the filter of length 2048. The coefficients of the filters are normalized so that the total energy is equal to M. It can be seen that the limit curve is very regular.
La. fonction θ(t), i € [0,0.5] dépend des 8 paramètres x0,Xι, . . . ,x& de la. représentation compacte pour le code 2, degré 8 par la formuleThe. Function θ (t), i € [0,0.5] depends on the 8 parameters x 0 , Xι,. . . , x & de la. compact representation for code 2, degree 8 by the formula
cos θ(t) = xkTk(4t - 1) (79)
Figure imgf000040_0001
où les Tfc sont les polynômes de Chebyshev. Ceci peut encore s'écrire θ(t) = arccot(a;(i)) . (80)
cos θ (t) = x k T k (4t - 1) (79)
Figure imgf000040_0001
where the T f c are the Chebyshev polynomials. This can also be written θ (t) = arccot (a; (i)). (80)
Avec les coefficients x du meilleur filtre optimal pour M = 215, on obtient < 3.57 x HT9 , (81) | < 1-72 x 10~8 . (82)
Figure imgf000040_0002
et l'on constate que la fonction θ(t) est très proche d'une fonction symétrique par rapport au point [^, ]. Ces observations sont en bonne cohérence avec la régularité de la courbe limite portant les coefficients tranversaux du filtre d'après les résultats des lemmes 1 et 2.
With the coefficients x of the best optimal filter for M = 2 15 , we obtain <3.57 x HT 9 , (81) | <1-72 x 10 ~ 8 . (82)
Figure imgf000040_0002
and we note that the function θ (t) is very close to a symmetrical function with respect to the point [^,]. These observations are in good coherence with the regularity of the limit curve carrying the transverse coefficients of the filter according to the results of lemmas 1 and 2.
On recherche donc une expression plus simple de θ(i) de la forme (77). La fonction 0* (t) définie parWe therefore seek a simpler expression of θ (i) of the form (77). The function 0 * (t) defined by
[t) = iLz^l (π + t + 2i2 - 12i3 + δï4) (83)[t) = iLz ^ l ( π + t + 2i 2 - 12i 3 + δï 4 ) (83)
correspond, dans l'expression (77), au choix k = 2 et aux valeurscorresponds, in expression (77), to the choice k = 2 and to the values
1 4 αx = — = -0.3183098861 , α2 = — = -1.273239544 . (84) 7T 7T1 4 α x = - = -0.3183098861, α 2 = - = -1.273239544. (84) 7T 7T
Avec k = 2, on cherche alors des valeurs optimales des paramètres ai et α de manière à minimiser la distance relative entre la localisation d'un filtre calculé avec la fonction θ(t) et le filtre de localisation optimale pour des valeurs de M supérieures à un M0 fixé. L'optimisation est conduite avec Cfsqp en utilisant une fonction coût de type minimax.With k = 2, we then seek optimal values of the parameters ai and α so as to minimize the relative distance between the location of a filter calculated with the function θ (t) and the optimal location filter for values of M greater at a fixed M 0 . Optimization is carried out with Cfsqp using a cost function of the minimax type.
Avec Mo — 1024 et en minimisant l'erreur relative sur la localisation pour 27 valeurs de M dont le logarithme à base 2 est équiréparti entre 10 et 15, on trouve les valeurs a0 = -0.306324700486135, α, = -1.38222431220756 , (85) et on désigne par θ2(t) la fonction correspondante.With Mo - 1024 and minimizing the relative error on the location for 27 values of M whose logarithm to base 2 is equidistributed between 10 and 15, we find the values a 0 = -0.306324700486135, α, = -1.38222431220756, (85 ) and denote by θ 2 (t) the corresponding function.
Avec k = 3, et des conditions de calcul identiques, on trouve 0 = -0.33690242860365, d = -0.83833411092749, 2 = -1.99179628625716 ,With k = 3, and identical calculation conditions, we find 0 = -0.33690242860365, d = -0.83833411092749, 2 = -1.99179628625716,
(86) et on désigne par 03(i) la fonction correspondante.(86) and denote by 0 3 (i) the corresponding function.
Enfin, avec k = 4, on trouve les valeurs 0 = -0.33144646457108, α, = -1.01784717458737, α2 = -0.43066697997064, α3 = -3.91628703543313 , (87) et la fonction correspondante est appelée 04(i).Finally, with k = 4, we find the values 0 = -0.33144646457108, α, = -1.01784717458737, α 2 = -0.43066697997064, α 3 = -3.91628703543313, (87) and the corresponding function is called 0 4 (i).
La figure 16 représente les erreurs relatives commises lorsque l'on utilise ces fonctions pour calculer les filtres optimaux pour la localisation. On désigne par C* la courbe relative à θ*(t), par C la courbe relative à 0ι (t), etc.FIG. 16 represents the relative errors made when these functions are used to calculate the optimal filters for localization. We denote by C * the curve relative to θ * (t), by C the curve relative to 0ι (t), etc.
On peut aussi vérifier que pour un filtre PM(Z) = ∑2=o_1 hiz~l, prototype OFDM/OQAM de paramètre M et de longueur L = 2M, nous avons la propriété suivanteWe can also verify that for a filter PM (Z) = ∑ 2 = o _1 hi z ~ l , OFDM / OQAM prototype with parameter M and length L = 2M, we have the following property
ÇMOD( M) > 0.90560 . (88)ÇMOD (M)> 0.90560. (88)
Cas du critère d'énergieEnergy criterion
Lorsque la fonction coût est l'énergie hors-bande, on obtient les résultats suivants. La figure 17 est l'analogue de la figure 15. On remarque que la fonction limite n'est pas dérivable à l'origine mais qu'elle est régulière en t = . La fonction θ(t) déduite de la représentation compacte du meilleur filtre OFDM de longueur 2M pour M = 215 est bien symétrique par rapport au point ( ,f ), mais 0(0) ≠ § et donc 0(1) ≠ 0.When the cost function is out-of-band energy, the following results are obtained. Figure 17 is the analog of Figure 15. We note that the limit function is not differentiable at the origin but that it is regular in t =. The function θ (t) deduced from the compact representation of the best OFDM filter of length 2M for M = 2 15 is well symmetrical with respect to the point (, f), but 0 (0) ≠ § and therefore 0 (1) ≠ 0 .
Par un ajustement par les moindres carrés, on trouve une fonction θe(t) de la forme :By a least squares adjustment, we find a function θ e (t) of the form:
θe(τ) = ^ (l χ bo(t - \) + bι (t - )3)) (89) avec b0 = -1.578661958412621, = 0.7990463095216372 . (90)θ e (τ) = ^ (l χ bo (t - \) + bι (t -) 3 )) (89) with b 0 = -1.578661958412621, = 0.7990463095216372. (90)
Cependant, comme le montre la figure 18, les résultats ne sont pas aussi bons que pour la localisation. Avec davantage de coefficients, on n'obtient pas mieux car l'erreur commise est constante et liée au défaut de symétrie deHowever, as shown in Figure 18, the results are not as good as for localization. With more coefficients, we do not get better because the error committed is constant and linked to the lack of symmetry of
10 la courbe θ(t) limite. L'introduction d'un nouveau code peut être une façon d'améliorer ce résultat.10 the limit curve θ (t). Introducing new code may be one way to improve this result.
2 Le cas m > 22 The case m> 2
Les résultats obtenus pour m = 1 qui montrent, pour les critères de localisation et d'énergie, que les filtres optimaux ont une représentation compacte ^ qui devient quasi-indépendante de M pour les fortes valeurs de ce paramètre, ne se généralisent pas pour m > 2. Il apparaît que la principale distinction à faire concerne alors les critères d'optimisation plutôt que le type, OFDM ou BFDM, du prototype.The results obtained for m = 1 which show, for the location and energy criteria, that the optimal filters have a compact representation ^ which becomes almost independent of M for the high values of this parameter, do not generalize for m > 2. It appears that the main distinction to be made then concerns the optimization criteria rather than the type, OFDM or BFDM, of the prototype.
2.1 Critère de l'énergie hors-bande2.1 Out-of-band energy criterion
Pour l'énergie hors-bande et m > 2, il est possible d'obtenir directement, 0 sans passer par un procédé d'interpolation, un filtre prototype quasi-optimal pour de grandes valeurs de M. Ainsi on constate sur la figure 19 que les coefficients du filtre optimal pour M = 128 (ou pour M = 1024) permettent de construire un filtre prototype pour M < 215 dont le coût est très proche du coût optimal.For out-of-band energy and m> 2, it is possible to obtain directly, 0 without going through an interpolation process, a quasi-optimal prototype filter for large values of M. Thus we see in Figure 19 that the coefficients of the optimal filter for M = 128 (or for M = 1024) make it possible to construct a prototype filter for M <2 15 whose cost is very close to the optimal cost.
Dans le cas du BFDM les figures 20 et 21 montrent que, sans être aussi probants pour l'instant, les résultats obtenus permettent de garantir, suivant la valeur de M initiale, la précision de la 3ème ou 4ème décimale si m = 2 et de la 2ème ou 3ème décimale si m = 3.In the case of BFDM Figures 20 and 21 show that, without being as convincing for the moment, the results obtained make it possible to guarantee, according to the value of initial M, the accuracy of the 3rd or 4th decimal place if m = 2 and of the 2nd or 3rd decimal if m = 3.
2.2 Critère de localisation2.2 Location criteria
Dans le cas OFDM, on a pu constater [18] que pour la localisation et m, = 2 ou m - 3, les coefficients de la représentation compacte (code 12, degré 8) duIn the OFDM case, we have seen [18] that for the location and m, = 2 or m - 3, the coefficients of the compact representation (code 12, degree 8) of the
0 filtre optimal pour une valeur fixée Mo de M fournissent des prototypes de paramètre supérieur M dont le coût s'éloigne du coût optimal On en déduit que l'on ne peut pas identifier le filtre prototype optimal pour une grande valeur de M avec un filtre "limite".0 optimal filter for a fixed value Mo of M provide prototypes with a higher parameter M whose cost moves away from the optimal cost We deduce that we cannot identify the optimal prototype filter for a large value of M with a filter "limit".
Les coefficients de la représentation compacte des filtres optimaux montrent donc une variation en fonction de M, pour M grand. L'examen de ces coefficients dans le cas m = 2 conduit donc à chercher des représentations dépendantes de M [18].The coefficients of the compact representation of the optimal filters therefore show a variation as a function of M, for M large. The examination of these coefficients in the case m = 2 therefore leads to seek dependent representations of M [18].
L'examen des coefficients obtenus dans le cas OFDM pour m = 2 conduit à chercher une représentation compacte dépendant de la valeur de M. Plus précisément, les paramètres angulaires θ0 et θ\ sont cherchés sous la formeThe examination of the coefficients obtained in the OFDM case for m = 2 leads to the search for a compact representation depending on the value of M. More precisely, the angular parameters θ 0 and θ \ are sought in the form
θ0(t) = θ00(t) - λPθn (t) , ι (i) = + ^ „ (t) , (91)θ 0 (t) = θ 00 (t) - λPθn (t), ι (i) = + ^ „(t), (91)
Z où est un réel négatif et oùZ where is a negative real and where
1010
0oo 00 = (l - J + (2i - l) . (92)0oo 00 = (l - D + (2i - l). (92)
1 ι=0 θu (t) = -(l - 2t) ∑ βltX (93) 1 ι = 0 θ u (t) = - (l - 2t) ∑ β l tX (93)
4 t=l 4 t = l
Une optimisation avec CFSQP de l'erreur commise sur la localisation par comparaison avec l'ensemble des localisations optimales obtenues pour diffé¬An optimization with CFSQP of the error committed on the location by comparison with all the optimal locations obtained for diffé¬
15 rentes valeurs de M donne, par exemple pour k = 2, le jeu de coefficients optimaux qui suit15 rents values of M gives, for example for k = 2, the following set of optimal coefficients
7 = -0.289654695596932 α-o = -0.300851581378120 α, = -0.723945110106017 a2 = -1.797096746164217 = -0.289654695596932 α-o = -0.300851581378120 α, = -0.723945110106017 a 2 = -1.79709674616421
20 βϋ = 0.713206997358430 βι = -2.02470362855665 β2 = 2.25362085753772 20 β ϋ = 0.713206997358430 βι = β 2 = -2.02470362855665 2.25362085753772
Suivant la valeur de M, nous obtenons avec ce jeu de coefficients une précision qui garantit au moins l'exactitude de la deuxième décimale et qui peut > même atteindre la 5ième décimale. je- Pour traiter le cas des filtres prototypes BFDM, on se heurte actuellement au problème de dégénérescence. L'introduction d'un facteur de gain permettant de ne retenir que les seules solutions non dégénérées devrait permettre de régler ce problème. Dans l'état actuel il est donc préférable dans ce cas d'appliquer simplement la technique de réduction de paramètres et, si nécessaire, celle d'interpolation rapide.According to the value of M, we obtain with this set of coefficients a precision which guarantees at least the accuracy of the second decimal place and which can> even reach the 5th decimal place. i - To deal with the case of BFDM prototype filters, we are currently encountering the problem of degeneration. The introduction of a gain factor making it possible to retain only the only degenerate solutions should make it possible to solve this problem. In the current state it is therefore preferable in this case to simply apply the technique of reduction of parameters and, if necessary, that of rapid interpolation.
0 ANNEXE 70 APPENDIX 7
1 Définitions et premières propriétés1 Definitions and first properties
1.1 Définitions1.1 Definitions
Pour un entier m > 1, on désigne par Em l'ensemble des fonctions h sur -* l'intervalle réel ] — m, + m[ telles que sur chaque sous-intervalle de ] — m, + m[ de la forme Jf,1^, j = —2m, — 2m + 1, . . . ,2m — 1 la restriction de h est deux fois continuement dérivable et h et ses dérivées admettent des limites aux bornes du sous-intervalle. Dans toute la suite de ce chapitre, nous dirons qu'une fonction de Em est une fonction prototype de paramètre m.For an integer m> 1, denote by E m the set of functions h on - * the real interval] - m, + m [such that on each subinterval of] - m, + m [of the form Jf, 1 ^, j = —2m, - 2m + 1,. . . , 2m - 1 the restriction of h is twice continuously differentiable and h and its derivatives admit limits at the limits of the sub-interval. In the rest of this chapter, we will say that a function of E m is a prototype function with parameter m.
Exemple - Pour m = 1, Ex est l'ensemble des fonctions h continues sur [—1, -1- 1] deux fois continuement dérivables, sauf éventuellement en — ,0, et 0 h,h',h" ont des limites à gauche et à droite en — ,0, , à droite en -1, à gauche en 1.Example - For m = 1, E x is the set of continuous functions h on [—1, -1- 1] twice continuously differentiable, except possibly in -, 0, and 0 h, h ', h "have left and right limits in -, 0,, right in -1, left in 1.
Une fonction prototype sera dite continue si elle est continue en les points \, j = -2m + 1, . . . ,2m - 1 et si h(-m) = 0 et h(m) = 0.A prototype function will be called continuous if it is continuous at the points \, j = -2m + 1,. . . , 2m - 1 and if h (-m) = 0 and h (m) = 0.
Définition.- Soit h dans Em et M un entier pair > 2. On désigne par PM(Z) le filtre de longueur 2m M dont les coefficients transversaux u,% sont _ donnés parDefinition.- Let h in E m and M be an even integer> 2. We designate by PM (Z) the filter of length 2m M whose transverse coefficients u, % are _ given by
PM,X = Λ [^ — j , ι = 0, . . . ,2mM - 1 , (94) et l'on dira que PM(Z) est engendré par h.PM, X = Λ [^ - j, ι = 0,. . . , 2mM - 1, (94) and we will say that PM (Z) is generated by h.
Les points en lesquels sont ainsi calculées les valeurs de la fonction h ne sont jamais des demi-entiers et forment une subdivision régulière de l'intervalle 1 - m, -t- m[. 0 Si la fonction h est paire (resp. impaire), les filtres PM {Z) sont symétriquesThe points at which the values of the function h are thus calculated are never half-integers and form a regular subdivision of the interval 1 - m, -t- m [. 0 If the function h is even (resp. Odd), the PM filters (Z) are symmetrical
(resp. antisymétriques).(resp. asymmetric).
Pour un filtre P (~) quelconque, on désigne par ξ(Jjw) son paramètre de localisation au sens de Doroslovacki et par JW(PM ) son énergie hors-bande.For any filter P (~), denote by ξ (Jjw) its localization parameter in the sense of Doroslovacki and by JW (PM) its out-of-band energy.
1.2 Limite à l'infini pour l'énergie c Nous supposons, sans perte de généralité pour les problèmes usuels, que la fonction W(ω) admet une transformée de Fourier inverse et que ωs < f. Posons également que WM(ω) = Mr(Mω). Alors, lorsque M tend vers l'infini, on peut exprimer l'énergie hors-bande de la fonction prototype à l'aide du théorème qui suit, où, de manière habituelle, les lettres en majuscules correspondent aux transformées de Fourier de celles en minuscules, par exemple w désigne la transformée de Fourier inverse de W. Théorème 2.- On a \H(σ)\2W(a) da _ J+™ f h(t)h(u)w(i - u) du di1.2 Infinite limit for energy c We assume, without loss of generality for usual problems, that the function W (ω) admits an inverse Fourier transform and that ω s <f. Let us also assume that W M (ω) = M r (Mω). Then, when M tends to infinity, we can express the out-of-band energy of the prototype function using the following theorem, where, in the usual way, the letters in capital letters correspond to the Fourier transforms of those in lowercase, for example w denotes the inverse Fourier transform of W. Theorem 2.- We have \ H (σ) \ 2 W (a) da _ J + ™ fh (t) h (u) w (i - u) du di
ΛJ™TC J"'« { PM ) - π /+ h2 t) dt 7V f h?(t) dt Λ J ™ TC J "'" {PM) - π / + h 2 t) dt 7V fh? (T) dt
(95)(95)
Démonstration.-^ 8] .Demonstration .- ^ 8].
2 Fonctions prototypes OFDM2 OFDM prototype functions
Définition.- Soit h une fonction prototype de Em. On dit que h est de classe OFDM si, pour tout M, le filtre PM(Z) est un filtre prototype symétrique OFDM.Definition.- Let h be a prototype function of E m . We say that h is of OFDM class if, for all M, the PM filter (Z) is a symmetrical OFDM prototype filter.
Le théorème suivant montre comment la représentation en treillis des filtres prototypes OFDM donne une caractérisation de la structure des fonctions pro- totype OFDM de Em à l'aide de m fonctions angulaires.The following theorem shows how the trellis representation of the OFDM prototype filters gives a characterization of the structure of the OFDM prototype functions of E m using m angular functions.
Théorème 3 - Soit h G Em de classe OFDM. U existe m fonctions θi(t) définies sur l'intervalle ]0, [, deux fois continuement dérivables et admettant des limites en 0 et \ et vérifiant la propriété suivante. Pour tout t, 0 < t < , on définit les points Xi(t) = —m+i+t,i = 0, . . . ,2m— 1 de l'intervalle ]— m,+m[ et les fonctions gQ(t) et g2(t) par m— 1 go(t) = ∑ h(x2i(t))X 92(t) = ∑ h(x2i, 1(t)).Yi (96) i=0 i=0 où X est une variable. Alors, on a l'égalité matricielleTheorem 3 - Let h GE m of class OFDM. U exist m functions θi (t) defined on the interval] 0, [, twice continuously differentiable and admitting limits in 0 and \ and verifying the following property. For all t, 0 <t <, we define the points Xi (t) = —m + i + t, i = 0,. . . , 2m— 1 of the interval] - m, + m [and the functions g Q (t) and g 2 (t) by m— 1 go (t) = ∑ h (x 2i (t)) X 92 ( t) = ∑ h (x 2i , 1 (t)). Y i (96) i = 0 i = 0 where X is a variable. So, we have matrix equality
(9o(t)Mt)) ≈ α< (cos o(t), sin o(t)) J[ Λθ(0*( )) , (97)
Figure imgf000045_0001
où Θ et Θ(0) désignent les m,atrices
(9o (t) Mt)) ≈ α < (cos o (t), sin o (t)) J [Λθ (0 * ()), (97)
Figure imgf000045_0001
where Θ and Θ (0) denote the m, atrices
1 0 cos 0 sin θ1 0 cos 0 sin θ
Λ = θ(θ) = (98) 0 sin 0 — cos 0 et a une constante indépendante de t.Λ = θ (θ) = (98) 0 sin 0 - cos 0 and has a constant independent of t.
Démonstration.- La démonstration est triviale puisque les angles 0;(t) définis par l'égalité (97) dépendent continuement de valeurs variant continuement de la fonction h.Demonstration.- The demonstration is trivial since the angles 0; (t) defined by the equality (97) depend continuously on values varying continuously from the function h.
3 Optimisation de l'énergie3 Energy optimization
3.1 Autres subdivisions3.1 Other subdivisions
Pour définir le filtre PM à partir de la fonction prototype h, nous avons utilisé dans (94) les points d'abcisse 2 l 2M M qu son^ régulièrement espacés dans l'intervalle (—m, 4- m) et ne sont jamais des demi-entiers. D'autre choix sont possibles. Par exemple, dans les toutes les sections précédentes, nous avons fait le choix avec la fonction φM définie en (56) des points %+1 ~M+I • ^es ^hé0- rèmes du paragraphe précédent sont également vérifiés pour cette subdivision.To set the P M filter from the prototype function h, we used in (94) the points of abscissa s 2 M 2M that its ^ regularly spaced in interval (—m, 4- m) and are never half integers. Other choices are possible. For example, in all the previous sections, we made the choice with the function φ M defined in (56) points % + 1 ~ M + I • ^ es ^ hey 0 - remes of the previous paragraph are also checked for this subdivision .
Une autre subdivision est considérée dans la suite. Celle-ci correspond aux abscisses dans les intervalles demi-entiers qui correspondent à. la méthode d'in-Another subdivision is considered below. This corresponds to the abscissa in the half-integer intervals which correspond to. the method of
5 tégration de Gauss-Legendre. Pour cette subdivision, les théorèmes ne sont plus vérifiés. Cependant la construction du filtre Pu correspondant est très utile pour calculer les valeurs de Jw(h)-5 integration of Gauss-Legendre. For this subdivision, the theorems are no longer verified. However, the construction of the corresponding Pu filter is very useful for calculating the values of Jw (h) -
3.2 Calcul de l'énergie3.2 Calculation of energy
On suppose dans cette section que la fonction h est calculée à partir de la donnée de m fonctions θi(t), i = 0, . . . ,m — 1 comme décrit dans le théorèmeIt is assumed in this section that the function h is calculated from the data of m functions θi (t), i = 0,. . . , m - 1 as described in the theorem
10 3.10 3.
Sous cette forme, ||/i|| = 1 et doncIn this form, || / i || = 1 and therefore
h(u)h(t)w(t - u) dudt . (99)
Figure imgf000046_0001
h (u) h (t) w (t - u) dudt. (99)
Figure imgf000046_0001
Pour calculer numériquement l'intégrale (99), on découpe le carré d'intégration en carrés de côté dont les côtés ont des extrémités demi-entières. Sur chacun de ces petits carrés (il y en a 4m2), on calcule l'intégrale par le schéma *-> d'intégration de Gauss-Legendre d'ordre n, avec n fixé sur chacune des deux directions u et t.To calculate the integral numerically (99), we cut the integration square into side squares whose sides have half-whole ends. On each of these small squares (there are 4m 2 ), the integral is calculated by the scheme * - > of Gauss-Legendre integration of order n, with n fixed on each of the two directions u and t .
Rappelons que le schéma de Gauss-Legendre d'ordre n permet d'évaluer l'intégrale d'une fonction / sur l'intervalle [—1, + 1] par la formule :Recall that the Gauss-Legendre scheme of order n makes it possible to evaluate the integral of a function / over the interval [—1, + 1] by the formula:
Figure imgf000046_0002
0 où les Xk, k = 1, . . . ,n sont les n racines du polynôme de Legendre de degré n, noté P„ (x), et pk, k = 1, . . . ,n des poids calculés par la formule
Figure imgf000046_0002
0 where the X k , k = 1,. . . , n are the n roots of the Legendre polynomial of degree n, denoted P „(x), and p k , k = 1,. . . , n of the weights calculated by the formula
2(1 - 4) , ,2 (1 - 4),,
" = M ' (101) " = M '(101)
Avec un tel choix des abscisses et des poids, l'évaluation de l'intégrale de / est <- exacte si / est un polynôme de degré inférieur ou égal à 2n — 1.With such a choice of abscissas and weights, the evaluation of the integral of / is < - exact if / is a polynomial of degree less than or equal to 2n - 1.
Après avoir légèrement transformé la. formule (100) pour l'adapter à un intervalle de longueur , l'intégrale se met sous la formeAfter having slightly transformed the. formula (100) to adapt it to a length interval, the integral takes the form
Jw{ ) = h uΛh uj)aij (102)
Figure imgf000046_0003
Jw {) = h uΛh uj) aij (102)
Figure imgf000046_0003
0 ou0 or
ai = V5W^Uj ~ u^Pk(ui PkM ' (103) ai = V5 W ^ Uj ~ u ^ Pk (ui Pk M '( 103 )
°ù Pk(ui) et Ph(u ) sont des poids de Gauss-Legendre dépendant de la place de Ui et de Uj dans la subdivision de l'un des intervalles de longueur . Les aij sont les coefficients d'une matrice symétique A d'ordre 2mn qui ne dépend pas de h mais seulement de n et de la fonction poids W(a). On évalue donc une fois pour toute la valeur de ses coefficients avant d'optimiser la fonction coût. Le vecteur V = (h(uo),h(uι), . . . ,h(u mn-ι) de longueur 2mn est évalué pour des valeurs données des paramètres du problème d'optimisation et la fonction Jw{h) est donnée par° ù P k (u i ) and P h (u) are Gauss-Legendre weights depending on the place of Ui and U j in the subdivision of one of the length intervals. The ai j are the coefficients of a symmetric matrix A of order 2mn which does not depend on h but only on n and on the weight function W (a). We therefore evaluate once and for all the value of its coefficients before optimizing the cost function. The vector V = (h (uo), h (uι),..., H (u mn -ι) of length 2mn is evaluated for given values of the parameters of the optimization problem and the function Jw {h) is given by
Jw(h) ~ Vτ A V . (104)J w (h) ~ V τ AV. (104)
Remarque - Lorsque les paramètres d'un code de représentation compacte sont utilisés pour calculer un filtre PM{Z) , le nombre d'évaluations de la fonction h est de mM (puisque l'on complète les coefficients du filtre PM Z) par symétrie), puis l'énergie est calculée avec deux DFT réelles de longueur > 4mM, plus des opérations arithmétiques (Appendice A). Pour le calcul à la limite avec une fonction h dépendant d'un code de signification analogue, le nombre d'évaluations de h est seulement 2mn, et le calcul de la forme quadratique (104) s'effectue avec 0(m2n2) opérations arithmétiques Dans la pratique, on choisit n = 6 ou n = 10.Note - When the parameters of a compact representation code are used to calculate a PM filter (Z), the number of evaluations of the function h is mM (since the PM Z filter coefficients are completed) by symmetry ), then the energy is calculated with two real DFTs of length> 4mM, plus arithmetic operations (Appendix A). For the calculation at the limit with a function h depending on a similar meaning code, the number of evaluations of h is only 2 min, and the calculation of the quadratic form (104) is carried out with 0 (m 2 n 2 ) arithmetic operations In practice, we choose n = 6 or n = 10.
Dans ce calcul à la limite, on assure l'orthogonalité, ou la biorthogonalité, en se ramenant à des représentations en treillis, ou en échelle, qui peuvent s'écrire sous forme d'une fonction a(t) dont l'expression reprend celle déjà vue pour les codes de représentation compacte.In this boundary calculation, we ensure orthogonality, or biorthogonality, by reducing ourselves to representations in lattice, or in scale, which can be written in the form of a function a (t) whose expression includes the one already seen for compact representation codes.
Code 1 : le paramètre a(t) est obtenu par la formule d-l αW = Σ < ** , (105) i=0 où d est le degré considéré pour ce code et α,-, i = 0, . . . ,d — 1 les d coefficients correspondants,Code 1: the parameter a (t) is obtained by the formula dl α W = Σ <**, (105) i = 0 where d is the degree considered for this code and α, -, i = 0,. . . , d - 1 the corresponding d coefficients,
Code 2 : le paramètre a(t) est obtenu par la formule
Figure imgf000047_0001
a(t) = ∑ αi7K4Z - 1) , (106)
Code 2: the parameter a (t) is obtained by the formula
Figure imgf000047_0001
a (t) = ∑ αi7K4Z - 1), (106)
?=o où les T,: sont les polynômes de Chebyshev, Code 3 : le paramètre a(t) est obtenu par la formule d-l a(t) = a0 + a1t + t(l - 2t) ∑ afi-2 . (107) i=2 3.3 Premiers résultats dans le cas OFDM? = o where T: is the Chebyshev polynomials, Code 3: the parameter (t) is obtained by the formula dl (t) = a 0 + a 1 t + t (l - 2t) Σ AFI- 2 . (107) i = 2 3.3 First results in the OFDM case
Nous avons optimisé avec CFSQP les coefficients d'une fonction prototype pour la fonction de coût énergie. Le programme CFSQP se révèle extrêmement sensible aux bornes données pour les coefficients, aux degrés des codes et aux valeurs initiales.We have optimized with CFSQP the coefficients of a prototype function for the energy cost function. The CFSQP program proves to be extremely sensitive to the limits given for the coefficients, to the degrees of the codes and to the initial values.
Les meilleurs résultats obtenus le sont avec le code 1 pour tous les coeffi- c cients et sont donnés dans la table 9 avec la liste des degrés. Cette table fournit la valeur de E qui désigne l'énergie hors-bande optimale pour la fonction prototype.The best results are with the code 1 for all coeffi- cient and c are given in Table 9 with the list of degrees. This table provides the value of E which designates the optimal out-of-band energy for the prototype function.
3.4 Premiers résultats dans le cas BFDM3.4 First results in the BFDM case
Une optimisation avec CFSQP a aussi été utilisée pour optimiser l'énergie hors-bande des fonctions prototypes de type BFDM. i n La table 10 donne les meilleurs résultats obtenus pour m = 1, . . . ,4, s =Optimization with CFSQP was also used to optimize the out-of-band energy of the BFDM type prototype functions. i n Table 10 gives the best results obtained for m = 1,. . . , 4, s =
0, . . . ,m— 1. Les prototypes limites sont alors utilisés pour construire des filtres de paramètre M = 128 et les résultats sont comparés avec le meilleur résultat obtenu pour le code 2 de degré 5( E°28 )• -^oo désigne l'énergie hors-bande optimale pour la fonction prototype, Ei 8 l'énergie hors-bande du filtre de longueur 2 x 120M que l'on en déduit, et E 2g l'optimum trouvé par une optimisation directe sur la représentation compacte du filtre. 0,. . . , m— 1. The limit prototypes are then used to construct filters of parameter M = 128 and the results are compared with the best result obtained for code 2 of degree 5 (E ° 28 ) • - ^ o o denotes the optimal out-of-band energy for the prototype function, Ei 8 the out-of-band energy of the filter of length 2 x 120M which is deduced therefrom, and E 2 g the optimum found by direct optimization on the compact representation of the filter .
ANNEXE 8 TableauxAPPENDIX 8 Tables
Figure imgf000049_0001
Figure imgf000049_0001
TAB. 1 - Meilleure localisation ξmod obtenue pour le code 2, degré 5, par le programme cfsqp kofdm. TAB. 1 - Better localization ξ mod obtained for code 2, degree 5, by the program cfsqp kofdm.
Figure imgf000050_0001
Figure imgf000050_0001
TAB. 2 - Meilleure localisation ξ„ obtenue pour le code 0 par le programme cfsqp kofdm. TAB. 2 - Better localization ξ „obtained for code 0 by the program cfsqp kofdm.
Figure imgf000051_0001
Figure imgf000051_0001
TAB. 3 - Vérification avec cfsqp des performances de l'interpolation rapide pour la localisation ζMOD.TAB. 3 - Verification with cfsqp of the performance of rapid interpolation for localization ζ MOD .
Figure imgf000051_0002
Figure imgf000051_0002
TAB. 4 - Vérification, avec le critère d'énergie, des performances de l'interpolation rapide.
Figure imgf000052_0001
TAB. 4 - Verification, with the energy criterion, of the performance of rapid interpolation.
Figure imgf000052_0001
TAB . 5 - Meilleure localisation ξ, obtenue pour s = 1 et le code 2, degré 3, par le programme cfsqp kbfdmTAB. 5 - Better localization ξ, obtained for s = 1 and code 2, degree 3, by the program cfsqp kbfdm
Figure imgf000052_0002
Figure imgf000052_0002
TAB. 6 - Meilleure localisation ξmod obtenue pour s = 1 et le code 2, degré 3, par le programme dega_ kbfdm.
Figure imgf000053_0001
TAB. 6 - Better localization ξ mod obtained for s = 1 and code 2, degree 3, by the program dega_ kbfdm.
Figure imgf000053_0001
TAB. 7 - Meilleure énergie hors-bande (π/M,π) obtenue pour s = 1 et le code 2, degré 3, par le programme cfsqp_kbfdm.TAB. 7 - Best out-of-band energy (π / M, π) obtained for s = 1 and code 2, degree 3, by the program cfsqp_kbfdm.
Figure imgf000053_0002
Figure imgf000053_0002
TAB. 8 - Meilleure énergie hors-bande (π/M,π) obtenue pour s ≈ 1 et le code 2, degré 3, par le programme dega_kbfdm.
Figure imgf000054_0001
TAB. 8 - Best out-of-band energy (π / M, π) obtained for s ≈ 1 and code 2, degree 3, by the dega_kbfdm program.
Figure imgf000054_0001
TAB. 9 - Meilleure optimisation de l'énergie hors-bande pour des fonctions prototypes OFDM de paramètre m.TAB. 9 - Better optimization of out-of-band energy for OFDM prototype functions with parameter m.
Figure imgf000054_0002
Figure imgf000054_0002
TAB. 10 - Meilleure énergie hors-bande (π/M,π) obtenue pour les fonctions prototypes BFDM par le programme cfsqp ener. ANNEXE 9TAB. 10 - Best out-of-band energy (π / M, π) obtained for the BFDM prototype functions by the cfsqp ener program. APPENDIX 9
[1] Siclet (Cyrille), Siohan (Pierre) et Karp (Tanja). - Biorthogonal filter banks with nearly optimal time-frequency localization. Dans : EURASIP European Signal Processing Conférence, EUSIPCO'00. - Tampere, Finlande, septembre 2000.[1] Siclet (Cyrille), Siohan (Pierre) and Karp (Tanja). - Biorthogonal filter banks with nearly optimal time-frequency localization. In: EURASIP European Signal Processing Conférence, EUSIPCO'00. - Tampere, Finland, September 2000.
[2] Siohan (Pierre) et Siclet (Cyrille). - Procédé de transmission d'un signal m.ultipoήeuse biorthogonal BFDM/OQAM. - Brevet FR 99112371, déposé le 29 septembre 1999.[2] Siohan (Pierre) and Siclet (Cyrille). - Method of transmitting a biorthogonal BFDM / OQAM multi-pole signal. - Patent FR 99112371, filed on September 29, 1999.
[3] Siohan (Pierre) et Lacaille (Nicolas). - Analysis of OFDM/OQAM Systems based on the filterbank theory. Dans : IEEE Global Communications Conférence, GLOBECOM'99. - Rio de Janeiro, Brésil, décembre 1999. 10 [4] Siohan (Pierre) et Roche (Christian). - Cosine-modulated filterbanks based on extended gaussian functions. IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 48, n° 11, novembre 2000, pages 3052-3061.[3] Siohan (Pierre) and Lacaille (Nicolas). - Analysis of OFDM / OQAM Systems based on the filterbank theory. In: IEEE Global Communications Conférence, GLOBECOM'99. - Rio de Janeiro, Brazil, December 1999. 10 [4] Siohan (Pierre) and Roche (Christian). - Cosine-modulated filterbanks based on extended gaussian functions. IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 48, n ° 11, November 2000, pages 3052-3061.
[5] Heller (Peter N.), Karp (Tanja) et Nguyen (Truong Q.). - A gênerai formulation of modulated filter banks. IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 47, n° 4, avril 1999, pages 986-1002.[5] Heller (Peter N.), Karp (Tanja) and Nguyen (Truong Q.). - A génnerai formulation of modulated filter banks. IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 47, n ° 4, April 1999, pages 986-1002.
[6] Dehery (Y. F.), Lever (M.) et Urcun (P.). - A Musicam source co- , ^ dec for digital audio broadcasting and storage. Dans : IEEE Internation[6] Dehery (Y. F.), Lever (M.) and Urcun (P.). - A Musicam source co-, ^ dec for digital audio broadcasting and storage. In: IEEE Internation
Conférence on Acoustics, Speech and Signal Processing, ICASSP'91, pages 3605-3608. - Toronto, Canada, mai 1991.Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, ICASSP'91, pages 3605-3608. - Toronto, Canada, May 1991.
[7] Vaidyanathan (P. P.). - Multirate Systems and filter banks. - Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1993. ISBN 0-13-605718-7.[7] Vaidyanathan (P. P.). - Multirate Systems and filter banks. - Englewood Cliffs, Prentice Hall, 1993. ISBN 0-13-605718-7.
[8] Alard (Michel). - Construction d 'un signal multiporteuse. - Brevet PCT FR 96 00661 - WO 96 35278, déposé le 30 avril 1996, publié le 7 novembre 1996. 0 [9] Roche (Christian) et Siohan (Pierre). - A family of Extended Gaussian Functions with a nearly optimal localization property. Dans : International Workshop on Mulii-Carrier Spread-Spectrum, pages 179-186. - Oberpfaffenbofen, Allemagne, avril 1997. [10] Hleiss (Rima). - Conception et égalisation de nouvelles strucutres de modulations multiporteuses. — Thèse de PhD, École Nationale Supérieure des Télécommunications de Paris, 2000. [11] Siclet (Cyrille) et Siohan (Pierre). - Design of BFDM/OQAM Systems ba5 sed on biorthogonal modulated filter banks. Dans : IEEE Global Communications Conférence, GLOBECOM'00. - San Francisco, USA, novembre 2000.[8] Alard (Michel). - Construction of a multicarrier signal. - PCT patent FR 96 00661 - WO 96 35278, filed on April 30, 1996, published on November 7, 1996. 0 [9] Roche (Christian) and Siohan (Pierre). - A family of Extended Gaussian Functions with a nearly optimal localization property. In: International Workshop on Mulii-Carrier Spread-Spectrum, pages 179-186. - Oberpfaffenbofen, Germany, April 1997. [10] Hleiss (Rima). - Design and equalization of new multicarrier modulation structures. - PhD thesis, École Nationale Supérieure des Télécommunications de Paris, 2000. [11] Siclet (Cyrille) and Siohan (Pierre). - Design of BFDM / OQAM Systems ba5 sed on biorthogonal modulated filter banks. In: IEEE Global Communications Conférence, GLOBECOM'00. - San Francisco, USA, November 2000.
[12] Doroslovacki (Milos L). - Product of second moments in time and frequency for discrete-time signais and the uucertainty limit. Signal Processing, vol. 67, n° 1 , mai 1998, pages 59-76.[12] Doroslovacki (Milos L). - Product of second moments in time and frequency for discrete-time signais and the uucertainty limit. Signal Processing, vol. 67, n ° 1, May 1998, pages 59-76.
0 [13] Siclet (Cyrille). - Étude des modulations multiporteuses biorthogonales de type BFDM/OQAM. - Thèse, École Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne, 1999.0 [13] Siclet (Cyrille). - Study of biorthogonal multi-carrier modulations of the BFDM / OQAM type. - Thesis, École Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne, 1999.
[14] Pinchon (Didier). - Étude de méthodes et réalisation de logiciels de synthèse de formes d'ondes pour les modulations multiporteuses biorthogonales. - Rapport technique, FENNEC Services, décembre 2000. Version provisoire.[14] Pinchon (Didier). - Study of methods and production of waveform synthesis software for biorthogonal multicarrier modulations. - Technical report, FENNEC Services, December 2000. Provisional version.
[15] Karp (Tanja) et Mertins (Alfred). - Efficient prototype filter realizations for cosine-modulated filter banks. Dans : Colloque sur le Traitement du Signal et des Images, GRETSV97. - Grenoble, France, septembre 1997.[15] Karp (Tanja) and Mertins (Alfred). - Efficient prototype filter realizations for cosine-modulated filter banks. In: Symposium on Signal and Image Processing, GRETSV97. - Grenoble, France, September 1997.
[16] Siclet (Cyrille) et Siohan (Pierre). - New results for the design of biorthogonal transmultiplexers with offset QAM. Dans : IASTED Adυances in Communications, AIC'01. - Rhodes, Grèce, juillet 2001.[16] Siclet (Cyrille) and Siohan (Pierre). - New results for the design of biorthogonal transmultiplexers with offset QAM. In: IASTED Adυances in Communications, AIC'01. - Rhodes, Greece, July 2001.
[17] Siclet (Cyrille) et Siohan (Pierre). - Procédé de transmission d'un signal multiporteuse associé à des porteuses modulées synchroniquement, procédés de modulation et de démodulation et dispositifs correspondants. - Brevet FR 0101050, déposé le 25 janvier 2001.[17] Siclet (Cyrille) and Siohan (Pierre). - Method for transmitting a multicarrier signal associated with synchronously modulated carriers, modulation and demodulation methods and corresponding devices. - Patent FR 0101050, filed on January 25, 2001.
[18] Pinchon (Didier). - Etude de méthodes et réalisation de logiciels de synthèse de formes d'ondes pour les modulations multiporteuses biorthogonales. - Rapport technique, FENNEC Services, avril 2001. Contrat France Télécom n° 001B944.[18] Pinchon (Didier). - Study of methods and realization of software of synthesis of waveforms for biorthogonal multicarrier modulations. - Technical report, FENNEC Services, April 2001. France Telecom contract n ° 001B944.
[19] Lawrence (C), Zhou (J. L.) et Tits (A. L.). - User's Guide for CFSQP Version 2.5: A C code for solving (large scale) constrained nonlinear (mi- nimax) optimization problems, generating itérâtes satisfying ail inequality consiraints. - Rapport technique n° TR-94-16rl, University of Maryland, 1998. [19] Lawrence (C), Zhou (J. L.) and Tits (A. L.). - User's Guide for CFSQP Version 2.5: A C code for solving (large scale) constrained nonlinear (minimax) optimization problems, generating iterates satisfying ail inequality consiraints. - Technical report n ° TR-94-16rl, University of Maryland, 1998.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination de coefficients de filtrage d'un banc de filtres modulé en sous-bandes, basé sur un filtre prototype de longueur L destiné à produire, par modulation, ledit banc de filtres modulé en sous-bandes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :1. Method for determining the filtering coefficients of a filter bank modulated in sub-bands, based on a prototype filter of length L intended to produce, by modulation, said filter bank modulated in sub-bands, characterized in that '' it includes the following stages:
(a) détermination, pour au moins deux valeurs M inférieures au nombre de sous-bandes dudit banc de filtres modulé, en fonction d'un premier espace de paramètres P, d'un jeu de premiers coefficients de filtrage, correspondant à un optimum global du problème correspondant, noté {P, M, L}, pour au moins un critère prédéterminé à optimiser ;(a) determination, for at least two values M less than the number of sub-bands of said modulated filter bank, as a function of a first space of parameters P, of a set of first filtering coefficients, corresponding to a global optimum the corresponding problem, noted {P, M, L}, for at least one predetermined criterion to be optimized;
(b) analyse du ou desdits jeux de premiers coefficients de filtrage, de façon à déterminer un sous-ensemble de filtres correspondant auxdits optimums, auquel on associe un second espace de paramètres R, avec card R ≤ card P, permettant une autre représentation, dite compacte, desdits filtres ; (c) optimisation d'un second jeu de coefficients de filtrage, pour au moins deux valeurs de M et au moins une valeur de L, à l'aide dudit second espace de paramètres R, correspondant à un optimum global du problème correspondant, noté {R,M, L} ;(b) analysis of said set or sets of first filter coefficients, so as to determine a subset of filters corresponding to said optimums, to which a second space of parameters R is associated, with card R ≤ card P, allowing another representation, said compact, said filters; (c) optimization of a second set of filter coefficients, for at least two values of M and at least one value of L, using said second space of parameters R, corresponding to a global optimum of the corresponding problem, noted {R, M, L};
(e) stockage d'au moins un desdits seconds jeux de coefficients de filtrage. (e) storing at least one of said second sets of filter coefficients.
2. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication2. Method for determining filter coefficients according to claim
1 , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : (d) application pour au moins deux valeurs de M de l'étape (c) ;1, characterized in that it comprises the steps of: (d) applying for at least two values of M from step (c);
(f) interpolation rapide d'un jeu de coefficients de filtrage pour une valeur de M correspondant au nombre de sous-bandes dudit banc de filtres, à partir du ou desdits seconds jeux de coefficients stockés obtenus à l'étape (d).(f) rapid interpolation of a set of filter coefficients for a value of M corresponding to the number of sub-bands of said filter bank, from the second set or sets of stored coefficients obtained in step (d).
3. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans ladite étape (c), ladite optimisation est calculée pour au moins deux valeurs de M qui sont des puissances de 2. 3. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 and 2, characterized in that, in said step (c), said optimization is calculated for at least two values of M which are powers of 2.
4. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, dans ladite étape (c), ladite optimisation est calculée en tenant compte d'au moins une valeur fixée pour au moins un paramètre annexe A.4. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, in said step (c), said optimization is calculated by taking account of at least one fixed value for at least one annex parameter A.
5. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou lesdits paramètres annexes A comprennent un délai fixé.5. Method for determining filter coefficients according to claim 4, characterized in that the said additional parameter (s) A comprise a fixed time.
6. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications là 5, caractérisé en ce que, dans ladite étape (b), ladite analyse tient compte d'au moins une des propriétés appartenant au groupe comprenant : - la linéarité de la phase ; la continuité des paramètres d'une composante polyphasé à l'autre ; l'appartenance à un intervalle prédéterminé de paramètres angulaires ; des propriétés de continuité et/ou de dérivabilité de courbes limites, lorsque la longueur tend vers l'infini.6. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 5, characterized in that, in said step (b), said analysis takes account of at least one of the properties belonging to the group comprising: - linearity of the phase; the continuity of the parameters from one polyphase component to another; belonging to a predetermined range of angular parameters; properties of continuity and / or differentiability of limit curves, when the length tends towards infinity.
7. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend, après ladite étape (c), une étape de :7. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises, after said step (c), a step of:
(d) validation des résultats de la résolution dudit second problème, pour au moins une valeur faible de M.(d) validation of the results of the resolution of said second problem, for at least a low value of M.
8. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, après ladite étape (f), une étape de :8. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 2 to 7, characterized in that it comprises, after said step (f), a step of:
(g) vérification et/ou optimisation des valeurs interpolées pour le problème correspondant {P, M, L} ou {R , M, L} .(g) verification and / or optimization of the interpolated values for the corresponding problem {P, M, L} or {R, M, L}.
9. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le ou lesdits critères prédéterminés à optimiser appartiennent au groupe comprenant : la localisation en temps et/ou en fréquence ; - la minimisation de l'énergie hors bande. 9. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the said predetermined criterion or criteria to be optimized belong to the group comprising: localization in time and / or in frequency; - minimization of out-of-band energy.
10. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, dans ladite étape (b), on met en oeuvre au moins une fonction, dite code, associant à un filtre prototype optimal P(z) une représentation approchée Px(z) dudit filtre prototype optimal P(z), exprimé à l'aide dudit second jeu de paramètres .10. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 9, characterized in that, in said step (b), at least one function, called code, is implemented, associating with an optimal prototype filter P (z) an approximate representation P x (z) of said optimal prototype filter P (z), expressed using said second set of parameters.
11. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit banc de filtres modulé est utilisé pour la mise en œuvre d'un système de modulation multiporteuse. 11. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 10, characterized in that said modulated filter bank is used for the implementation of a multicarrier modulation system.
12. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication12. Method for determining filter coefficients according to claim
11, caractérisé en ce que ladite modulation multiporteuse est une modulation OFDM/OQAM.11, characterized in that said multicarrier modulation is an OFDM / OQAM modulation.
13. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication13. Method for determining filter coefficients according to claim
12, caractérisé en ce que ledit premier espace P est l'espace des coefficients angulaires :
Figure imgf000059_0001
avec card(P) = m*MI2 où : 2M est le nombre de sous-porteuses de ladite modulation ; L = 2mM est la longueur initiale dudit filtre prototype.
12, characterized in that said first space P is the space of the angular coefficients:
Figure imgf000059_0001
with card (P) = m * MI2 where: 2M is the number of subcarriers of said modulation; L = 2mM is the initial length of said prototype filter.
14. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication14. Method for determining filter coefficients according to claim
13, caractérisé en ce que ledit second espace appartient au groupe comprenant : un espace Rκ0 engendré par les fonctions génératrices des points φM(l), 1 = 0,... , (M/2)-l, avec φM(l) une bijection de {0, (M/2)-l} vers {0, 1/2} ; - un espace RKI correspondant au sous-espace des polynômes de degré inférieur ou égal à K- 1 , K > 0 ; un espace R^ correspondant au sous-espace des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l, K> 0, dans la base des polynômes de13, characterized in that said second space belongs to the group comprising: a space R κ0 generated by the generating functions of the points φ M (l), 1 = 0, ..., (M / 2) -l, with φ M (l) a bijection from {0, (M / 2) -l} to {0, 1/2}; - a space R KI corresponding to the subspace of polynomials of degree less than or equal to K- 1, K>0; a space R ^ corresponding to the subspace of the polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, in the base of the polynomials of
Chebyshev. Chebyshev.
15. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication 14 et la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits codes sont respectivement : pour ledit espace Rκo : code n° 0 :15. Method for determining filter coefficients according to claim 14 and claim 10, characterized in that said codes are respectively: for said space R κo : code n ° 0:
Figure imgf000060_0001
pour ledit espace RKI : code n° 1 :
Figure imgf000060_0001
for said space R KI : code n ° 1:
pourfor
Figure imgf000060_0002
Figure imgf000060_0002
16. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on utilise ledit code n° 2 avec le degré 8. 16. Method for determining filter coefficients according to claim 15, characterized in that said code No. 2 is used with degree 8.
17. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que ladite étape (f) d'interpolation met en œuvre une sous-étape de recherche d'un polynôme de degré en log2 M approchant au mieux, au sens des moindres carrés, l'ensemble des valeurs déjà stockées. 17. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 11 to 16, characterized in that said step (f) of interpolation implements a sub-step of searching for a polynomial of degree in log 2 M as close as possible, in the least squares sense, to all the values already stored.
18. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication18. Method for determining filter coefficients according to claim
11, caractérisé en ce que ladite modulation est une modulation BFDM/OQAM.11, characterized in that said modulation is a BFDM / OQAM modulation.
19. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication19. Method for determining filter coefficients according to claim
18, caractérisé en ce que ledit premier espace P est l'espace des coefficients en
Figure imgf000060_0003
avec card(P) = (2 +l)M/2 où : 2M est le nombre de sous-porteuses de ladite modulation ; L = 2 M est la longueur initiale dudit filtre prototype.
18, characterized in that said first space P is the space of the coefficients in
Figure imgf000060_0003
with card (P) = (2 + l) M / 2 where: 2M is the number of subcarriers of said modulation; L = 2 M is the initial length of said prototype filter.
20. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication20. Method for determining filter coefficients according to claim
19, caractérisé en ce que ledit second espace appartient au groupe comprenant : - un espace Rκl constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à19, characterized in that said second space belongs to the group comprising: - a space R κl consisting of polynomials of degree less than or equal to
K-l , K > 0, représentés par leurs coefficients ; un espace RK2 constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K~l , K > 0, représentés par leur développement de Chebyshev ; un espace RK3 constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K-1, K>0, vérifiant p(x+§+p(x- =2pQ) ; un espace RK4 constitué des polynômes de degré inférieur ou égal à K-l, K > 0, vérifiant p(x+fy+p(x-fy≈2p(§) , représentés par leur développement de Chebyshev. K1, K> 0, represented by their coefficients; a space R K2 made up of polynomials of degree less than or equal to K ~ l, K> 0, represented by their Chebyshev development; a space R K3 made up of polynomials of degree less than or equal to K-1, K> 0, checking p (x + § + p (x- = 2pQ); a space R K4 consisting of polynomials of degree less than or equal to Kl, K> 0, checking p (x + fy + p ( x-fy≈2p (§), represented by their development of Chebyshev.
21. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon la revendication21. Method for determining filter coefficients according to claim
20 et la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits codes sont au moins l'un des codes suivants : code n° 0 : les coefficients
Figure imgf000061_0001
sont les coefficients l J+1,l=0 ,... ,- f- '=0 ,...2m -
20 and claim 10, characterized in that said codes are at least one of the following codes: code n ° 0: the coefficients
Figure imgf000061_0001
are the coefficients l J + 1 , l = 0, ..., - f- ' = 0, ... 2m -
Figure imgf000061_0002
pour ledit espace RK2 : code n° 2 : ] l +1= β< k'(4φM(D-l),j=0,... m fc-0 pour ledit espace Rκ3 : code n° 3 :
Figure imgf000061_0002
for said space R K2 : code n ° 2: ] l +1 = β < k '(4φ M (Dl), j = 0, ... m fc-0 for said space R κ3 : code n ° 3:
Figure imgf000061_0003
pour ledit espace RK4 : code n° 4 :
Figure imgf000061_0003
for said space R K4 : code n ° 4:
Figure imgf000061_0004
Figure imgf000061_0004
22. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 18 à 21, caractérisé en ce que ladite étape (c) d'optimisation met en œuvre un algorithme d'optimisation locale et/ou un algorithme génétique de minimisation globale.22. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 18 to 21, characterized in that said optimization step (c) implements a local optimization algorithm and / or a genetic global minimization algorithm .
23. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, caractérisé en ce que ladite fonction prototype est décrite à l'aide de représentations en treillis, ou en échelle, sous la forme d'une fonction a(t) telle que : pour le code n° 1 :23. A method of determining filter coefficients according to any one of claims 15 to 22, characterized in that said prototype function is described using lattice representations, or in scale, in the form of a function a (t) such that: for code 1:
Figure imgf000061_0005
où d est le degré considéré et at, i = 0,... ,d-l les d coefficients correspondants ; pour le code n° 2 :
Figure imgf000061_0005
where d is the degree considered and a t , i = 0, ..., dl the d coefficients correspondents; for code 2:
Figure imgf000062_0001
où les T{ sont les polynômes de Chebyshev ; - pour le code n° 3 : a(t)=aQ+a1 t+t(l-2tyyot;tμ2.
Figure imgf000062_0001
where T { are Chebyshev polynomials; - the code # 3: a (t) = a Q + a 1 t + t (l-2tyyot; t μ2.
24. Procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 15 à 23, caractérisé en ce que lesdits coefficients de filtrage sont obtenus, pour tout α > 0, à l'aide de l'équation : Pa(z)=ar2sMH(z)+i ^ (z2M)24. Method for determining filter coefficients according to any one of claims 15 to 23, characterized in that said filter coefficients are obtained, for any α> 0, using the equation: P a (z ) = ar 2sM H (z) + i ^ (z 2M )
où H(z) est un filtre de longueur M vérifiant mod(H) = 1, ξm0 étant une fonction délivrant une mesure de localisation discrète d'un filtre ; et est tel que ξmod(PJ > 1 -ε .where H (z) is a filter of length M verifying mod (H) = 1, ξ m0 being a function delivering a measure of discrete location of a filter; and is such that ξ mod (PJ> 1 -ε.
25. Filtre prototype pour banc de filtres modulé, caractérisé en ce que ses coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 24.25. Prototype filter for a modulated filter bank, characterized in that its filter coefficients are obtained using the method for determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 24.
26. Banc de filtres modulé, caractérisé en ce qu'il est formé à partir d'un filtre prototype dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 24.26. Modulated filter bank, characterized in that it is formed from a prototype filter whose filter coefficients are obtained using the method of determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 24.
27. Terminal de réception d'un signal multiporteuse, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un banc de^ filtres modulés formé à partir d'un filtre prototype dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 24. 27. Terminal for receiving a multicarrier signal, characterized in that it implements a bank of modulated filters formed from a prototype filter whose filtering coefficients are obtained using the method of determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 24.
28. Application d'un banc de filtres modulé formé à partir d'un filtre prototype dont les coefficients de filtrage sont obtenus à l'aide du procédé de détermination de coefficients de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 24 à au moins un des domaines appartenant au groupe comprenant : modulation multiporteuse de type BFDM/OQAM ; modulation multiporteuse de type OFDM/OQAM ; codage en sous-bandes. 28. Application of a modulated filter bank formed from a prototype filter whose filter coefficients are obtained using the method of determining filter coefficients according to any one of claims 1 to 24 to at least one of the fields belonging to the group comprising: multicarrier modulation of the BFDM / OQAM type; OFDM / OQAM type multicarrier modulation; coding in sub-bands.
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