WO2005067140A1

WO2005067140A1 - Controle automatique du gain d'un recepteur numerique pour reception de signaux a enveloppes discontinues.

Info

Publication number: WO2005067140A1
Application number: PCT/EP2004/053074
Authority: WO
Inventors: Jacques Galland; Christian Nicolas; Bruno Gasperoni
Original assignee: Thales
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2005-07-21
Also published as: FR2863419A1

Abstract

La présente invention concerne un procédé permettant de réaliser un contrôle automatique de gain ou CAG efficace sur un signal à enveloppe discontinue (31). Ce procédé comporte une étape de mesure comportant elle-même deux mesures (37, 38) de l'amplitude du signal, réalisées de manière anticipée durant la phase d'établissement dudit signal. Le procédé comporte également une étape d'estimation de l'amplitude du signal établi (36) et d'ajustement du gain de la chaîne de réception. Ce procédé présente en particulier l'avantage d'exercer un contrôle précoce du gain de la chaîne de réception, contrôle dont l'action est réalisée avant l'apparition de la partie utile du signal. Le procédé selon l'invention s'applique en particulier aux transmissions d'informations sous forme d'impulsion modulées.

Description

Contrôle automatique du gain d'un récepteur numérique pour réception de signaux à enveloppes discontinues.

L'invention décrite et revendiquée dans le présent document se rapporte aux Récepteurs de signaux RF destinés à la réception de signaux à enveloppes discontinues et pourvus d'une chaîne de traitement numérique des signaux reçus. Cette invention traite en particulier le problème posé par l'adaptation de la dynamique du signal reçu à la dynamique du dispositif de conversion analogique - numérique (CAN). Elle s'applique notamment au domaine des transmissions numériques basées sur le principe de l'agilité ou de l'évasion de fréquence.

Les récepteurs radio de nouvelle génération sont confrontés à des problèmes nouveaux, principalement liés à la nature et à la forme du signal reçu. Ces nouvelles formes d'ondes sont généralement constituées d'une onde porteuse discontinue dans le temps, modulées par un signal utile de nature numérique. Le codage du signal peut par exemple être réalisé sur plusieurs états, chaque état correspondant à une combinaison amplitude- phase ou amplitude-fréquence déterminée. Le code de modulation peut ainsi être un code à deux états de phase ou un code bi-fréquence, mais il peut également être beaucoup plus complexe.

Ces nouveaux types de formes d'ondes sont généralement discontinus. Le signal n'est rayonné que par séquences. Dans une séquence le signal reçu comporte par exemple une courte phase d'établissement de l'onde porteuse seule, cette phase étant suivie de la phase de transmission de l'onde modulée par le signal utile puis d'une courte phase d'extinction de l'onde porteuse. Chaque séquence a une durée sensiblement égale à celle du signal utile. D'autre part pour des raisons tenant à la protection des informations échangées, la fréquence de l'onde porteuse est parfois variable d'une séquence à l'autre ce qui rend nécessaire l'utilisation de récepteur dont les équipements internes tels que les oscillateurs locaux ou encore les filtres, sont capables de s'adapter rapidement aux changements de fréquence. Par ailleurs, l'utilisation plus fréquente de liaisons utilisant des démodulations cohérentes en phase, rend plus nécessaire une adaptation rapide du signal reçu à la chaîne de réception. Pour répondre de manière satisfaisante aux caractéristiques de ces nouvelles formes d'ondes et notamment pour assurer l'intégrité de la phase du signal reçu, les récepteurs utilisés doivent en particulier satisfaire deux exigences importantes : - assurer un fonctionnement linéaire aux différents dispositifs de traitement analogiques situés en amont de la numérisation, - adapter la dynamique du signal reçu à la dynamique du dispositif de conversion analogique - numérique (CAN). Cependant pour répondre à ces exigences, il faut généralement modifier les caractéristiques des éléments composant la chaîne de traitement analogique et en particulier leurs gains. On constate alors qu'une action visant uniquement à adapter la dynamique a parfois des répercussions négatives sur la linéarité, et réciproquement. Il est donc souvent préférable dans la mesure du possible, d'agir de façon à satisfaire simultanément les deux exigences.

S'agissant de la transmission de signaux discontinus, les exigences de linéarité et d'adaptation de dynamique ne peuvent en outre être prises en compte qu'à partir de l'instant de début de réception du signal. Or comme il a été dit précédemment, la durée du signal reçu correspond le plus étroitement possible à la durée du signal utile qui module l'onde porteuse. Si l'on désire éviter toute distorsion du signal utile, il faut donc réaliser l'adaptation de dynamique du signal reçu le plus rapidement possible et dans tous les cas avant l'apparition du signal utile. Ceci impose donc aux récepteurs modernes une contrainte supplémentaire de rapidité qui s'ajoute aux contraintes de linéarité et d'adaptation de dynamique.

Pour satisfaire de telles exigences les procédés classiques de contrôle automatique du gain (ou CAG) s'avèrent inefficaces. Ce sont en effet généralement des systèmes asservis continus, qui agissent sur les différents étages de la partie analogique de la chaîne de réception. Ces procédés, bien adaptés à la régulation du gain dans le cas d'ondes continues, présentent des inconvénients importants lorsqu'il s'agit de la réception de signaux discontinus et courts. Ils ne permettent qu'une adaptation progressive de la dynamique du signal, cette adaptation progressive engendrant des non- linéarités. Ils ne permettent de plus qu'une adaptation lente, la lenteur étant liée au temps de réaction des boucles de CAG. Ils ne permettent enfin qu'une adaptation tardive du signal reçu. L'adaptation de la dynamique du signal ne démarre que sur le signal établi et peut s'étendre sur la partie utile du signal. D'autre part, une action sur le gain de la chaîne de réception, dont la bande passante est limitée du fait de la présence de filtres, a pour effet d'engendrer des perturbations transitoires sur l'amplitude et la phase du signal reçu. Si cette action est tardive, comme dans le cas des procédés classiques de CAG, les perturbations transitoires pourront s'étendre au-delà de l'instant d'apparition de la partie utile du signal. Le signal utile peut dans ce cas avoir un niveau compatible de la dynamique de codage du CAN, mais être dégradé au point de conduire au décodage de valeurs erronées.

Pour répondre à la nécessité d'adapter le plus rapidement possible la dynamique du signal reçu à la dynamique du CAN, notamment dans le cas de signaux à enveloppes discontinues, le procédé selon l'invention procède par anticipation et estimation. A cet effet, il comporte en particulier : - une étape de mesure du signal reçu, cette mesure étant réalisée le plus tôt possible lors de l'établissement du signal, - une étape d'estimation de l'amplitude atteinte par le signal en régime établi, - une étape d'application d'une correction de gain sur les éléments constituant la partie analogique de la chaîne de réception. Cette application se fait de préférence de manière répartie sur les différents éléments de la chaîne.

Le procédé selon l'invention présente la caractéristique avantageuse d'effectuer l'adaptation du niveau de signal reçu en une seule action, supprimant ainsi les inconvénients liés à l'emploi de procédés récursifs tels que les boucles de CAG.

L'anticipation de la mesure du niveau de signal reçu permet avantageusement de réaliser l'adaptation du signal avant l'instant d'établissement complet qui précède généralement de peu l'apparition de la partie du signal comportant des symboles utiles. L'association au procédé selon l'invention d'une modélisation préalable des étages de la partie analogique de la chaîne de réception, permet en outre de répartir la correction de gain sur les différents éléments. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au long de la description illustrée par les figures jointes qui représentent :

- La figure 1, un synoptique très simplifié d'une chaîne de réception comportant des étages d'entrée analogiques suivis d'un dispositif de conversion analogique-numérique ou CAN. - La figure 2, un chronogramme simplifié présentant la structure et le séquencement temporels de signaux à enveloppes discontinues. - La figure 3, un schéma comparatif permettant de mettre en évidence l'avantage présenté par le procédé selon l'invention, par rapport à un procédé de CAG traditionnel. - La figure 4, l'illustration sur un exemple particulier, de la méthode de détermination précoce du niveau maximum du signal reçu. - La figure 5 un schéma synoptique type de chaîne de réception numérique comportant des moyens permettant de mettre en œuvre le procédé selon l'invention.

La figure 1 , présente un schéma très simplifié d'un dispositif de réception. Dans le cas de la réception de signaux à enveloppe discontinue, le problème posé réside dans l'adaptation de la dynamique du signal se présentant à l'entrée 11 du CAN, en agissant de manière adéquate sur le gain des étages d'entrée 12 du récepteur, sachant que le niveau à l'entrée du CAN est fonction du niveau de signal en entrée du récepteur et de la réponse à ce signal des circuits composants les étages d'entrée.

La figure 2 illustre de façon pratique le problème posé par l'exploitation de signaux à enveloppes discontinues. A cet effet elle présente une succession de séquences d'informations 21 , cadencées à un rythme symbolisé par le signal de séquencement 22. La figure illustre à titre d'exemple simple un échange de données qui s'effectue sous forme d'une transmission de séquences 21 séparées les unes des autres d'un intervalle de temps donné 23, la fréquence de l'onde porteuse variant d'une séquence à l'autre. De façon générale, comme le montre la figure 2, une séquence 21 se présente comme une onde porteuse impulsionnelle modulée par un signal contenant l'information utile, sous forme numérique par exemple. Le type de modulation utilisé est variable. Il est notamment fonction du type et de la quantité d'information à transmettre et de la bande passante de l'équipement utilisé. Selon les cas, ce peut être de la modulation d'amplitude de phase, de fréquence, ou encore une modulation plus complexe de type amplitude-phase ou amplitude- fréquence.

Afin de limiter l'étalement du spectre dû à la transmission de séquences discontinues, le signal correspondant se présente sous la forme d'une impulsion aux fronts de montée 24 et de descente 25 mis en forme. Chaque séquence comporte plusieurs phases de durées différentes. Ainsi on distingue les phases d'établissement 26 et d'extinction 27 du signal, une phase utile 28 et une phase de garde 29.

Comme il a été dit précédemment, les phases 26 et 27 correspondent en particulier au besoin de limiter l'encombrement spectral du signal. Durant ces phases le niveau du signal varie entre une amplitude tendant vers zéro et l'amplitude signal établi, puis inversement. Ces deux phases représentent des moments de la séquence très souvent inutilisés par les systèmes de communications utilisant des signaux à enveloppes discontinues. Elles ne sont en principe pas utilisées pour transmettre un signal utile, la variation d'amplitude du signal induirait une distorsion du signal utile modulant l'onde porteuse. Elles ne sont en principe pas non plus utilisées pour effectuer l'adaptation de la dynamique du signal à celle du récepteur le contrôle automatique du gain, ou CAG, étant effectué durant les phases où le signal est établi. La phase de garde 29 et la phase utile 28 de la séquence correspondent au moment durant lequel le signal étant établi, son amplitude est constante. La phase 28 correspond au moment où l'onde porteuse est modulée par le signal utile. Durant cette phase il est donc impératif, sous peine de dégradation et de distorsion du signal utile, que la dynamique du signal reçu par le récepteur soit adaptée à la dynamique du récepteur. Cette adaptation est en particulier impérative dans le cas des récepteurs numériques pour lesquels la saturation de l'étage de conversion analogique-numérique, ou CAN, affecte la numérisation du signal reçu et entraîne l'apparition de valeurs numériques erronées. Pour des raisons de rendement bien compréhensibles et sachant que les durées des phases 26 et 27 sont fixées par des contraintes matérielles, il est généralement souhaitable que la durée de la phase utile 28 soit la plus proche possible de celle de la phase durant laquelle le signal est établi. Néanmoins, dans la plupart des systèmes actuels, une partie de la phase durant laquelle le signal est établi doit être consacrée à diverses opérations réalisant notamment l'adaptation de la dynamique du signal reçu. Cette phase d'adaptation constitue la phase de garde 29.

Si l'on souhaite consacrer le plus de temps possible au signal utile la phase de garde doit évidemment être la plus courte possible. Dans la pratique du fait du rendement exigé, la durée de la phase de garde est souvent insuffisante pour permettre que l'adaptation du niveau du signal reçu, au moyen d'un système de CAG classique, de type asservissement en amplitude par exemple. L'adaptation de niveau se poursuit donc durant le début de la phase utile et occasionne ainsi une dégradation des premières informations numérisées.

Comme le montre la figure 2, deux séquences consécutives apparaissent séparées par un intervalle de temps minimum 23. Cet intervalle de temps est en particulier nécessaire dans le cas où l'onde porteuse change de fréquence d'une séquence à l'autre. Il est alors mis a profit par le récepteur pour modifier la fréquence de ses oscillateurs locaux ainsi que la fréquence centrale des filtres placés en tête de réception.

La figure 3 met en évidence de manière comparative les avantages procurés par le procédé selon l'invention. A cet effet, elle présente trois chronogrammes 31 , 32 et 33. Le chronogramme 31 représente l'évolution de l'amplitude du signal d'entrée au cours du temps depuis l'instant d'apparition du signal et jusqu'à l'instant d'apparition des informations utiles. Le chronogramme 32 représente l'évolution au cours du temps de l'amplitude du signal présent à l'entrée du CAN, la chaîne de réception étant régulée par un procédé de CAG conventionnel. Le chronogramme 33 représente l'évolution au cours du temps de l'amplitude du signal présent à l'entrée du CAN, la chaîne de réception étant régulée par le procédé de CAG selon l'invention.

Les échelles d'amplitudes et de temps sont identiques pour les trois chronogrammes, l'ordonnée S correspondant à la dynamique maximum d'entrée du CAN, Ti correspondant à l'instant où le signal est établi et T₂ à l'instant d'apparition des informations utiles. Pour une amplitude du signal d'entrée supérieure à S, l'étage d'entrée du CAN se trouve à saturation. Sur les chronogramme 32 et 33 la zone la saturation est figurée par les zones hachurées 34 et 35. L'objectif de l'adaptation de niveau est donc clairement d'adapter la dynamique du signal d'entrée pour limiter et faire disparaître le plus vite possible ce phénomène de saturation.

Comme l'illustre le chronogramme 32, l'action des systèmes de CAG conventionnels ne démarre par principe que lorsque le signal est établi, à partir de l'instant TL En outre, ces systèmes sont en général des systèmes asservis qui procèdent par actions itératives sur le gain de la chaîne de réception. L'adaptation du niveau du signal d'entrée se fait par exemple au moyen des plusieurs mesures successives 36 du niveau de signal à l'entrée du CAN, chaque mesure étant comparée à une consigne et le résultat de la comparaison donnant lieu à une modification du gain. Le gain de la chaîne est donc adapté de proche en proche l'opération d'adaptation étant répétée plusieurs fois.

Les systèmes de CAG classiques et connus de l'art antérieur présentent donc plusieurs inconvénients. Tout d'abord l'opération d'adaptation de niveau ne peut démarrer qu'après l'instant Ti d'établissement du signal d'entrée. D'autre part, l'opération d'itération réalisée est relativement longue. L'intervalle de temps Δt nécessaire à l'adaptation du niveau du signal d'entrée est alors souvent incompatible du temps de garde Δtg qui lui est réservé. L'opération de CAG se termine donc, comme l'illustre le chronogramme 32 de la figure, après l'apparition du signal utile, dont les premières informations sont altérées, voire perdues.

Pour éviter ces inconvénients, le procédé de CAG selon l'invention comporte plusieurs étapes. Dans un premier temps il procède à deux mesures 37 et 38 de l'amplitude du signal reçu. Ces mesures sont réalisées de manière précoce en deux instants t'₀ et t'i situés avant l'instant Ti où le signal est établi. Dans un deuxième temps le procédé calcule la pente de variation de l'amplitude du signal et détermine, à partir d'une estimation de l'évolution de l'amplitude du signal reçu A, l'amplitude du signal établi. Dans un troisième temps, le procédé agit alors sur les gains des différents étages de la chaîne de réception de façon à adapter la dynamique du signal reçu à celle de l'étage d'entrée du CAN. L'ajustement des gains est réalisé en une seule fois.

On peut noter que l'intervalle de temps séparant les instants t'₀ et t'i n'a pas un caractère critique, mais doit simplement être suffisant pour permettre un calcul correct de la pente de variation. De même l'instant de mesure t'o n'est pas critique pour peu que le niveau de signal soit suffisant. L'estimation de l'amplitude du signal établi peut par exemple être réalisée en comparant la pente de variation d'amplitude calculée à partir des deux mesures réalisées, à un modèle d'évolution de l'amplitude du signal d'entrée. Ce modèle est par exemple construit à partir de la réponse impulsionnelle des différents étages de la chaîne de réception, cette réponse impulsionnelle étant déterminée par des mesures préalables. Dans la pratique, le signal présent à l'entrée du CAN sera effectivement fonction de la réponse des étages d'entrée du récepteur à l'impulsion que constitue le signal reçu 31.

Comme l'illustre le chronogramme 33, le procédé selon l'invention permet avantageusement d'utiliser une partie de la phase d'établissement du signal pour procéder à l'opération d'adaptation ce qui permet d'achever cette opération avant l'apparition du signal utile, même en considérant que l'opération effectuée en une seule fois par le procédé selon l'invention est d'une durée Δt' égale à la durée Δt d'une opération itérative de CAG classique. Ainsi, l'adaptation étant terminée à l'apparition des informations utiles, celles-ci ne sont pas altérées.

La figure 4 illustre par un exemple simple le principe de la méthode de détermination de l'amplitude du signal, mise en œuvre par le procédé selon l'invention. Cette détermination est établie à partir de deux mesures de l'amplitude du signal reçu et d'une estimation basée sur un modèle d'évolution de l'amplitude du signal d'entrée jusqu'à l'établissement. La figure 4 présente deux courbes 41 et 42 d'évolution de l'amplitude du signal à l'entrée du CAN. Dans cet exemple, on considère le signal d'entrée comme une impulsion idéale. On considère également que la réponse à un échelon des étages d'entrée est celle d'un filtre du premier ordre.

Dans cette hypothèse, l'amplitude du signal présent à l'entrée du CAN aura pour expression : v = V ( 1 - exp (-α t )) [1]

où V représente l'amplitude du signal d'entrée et où α est une fonction caractéristique du circuit d'entrée.

De l'expression [1] on tire : v' = α V exp (-α t ) [2]

Si l'on considère que l'amplitude évolue selon la courbe 41 on constate qu'elle tend vers la valeur W Si d'autre part on effectue deux mesures d'amplitude aux instants ti et ti + Δt on peut écrire : vfr) = vo = Vi (1 - exp (-α ti)) [3] v'(tι) = a V, exp (-α ti ) = Δv^Δt [4]

à partir des relations [3] et [4] on tire : α.v₀ = ccVi (1 - exp (-α ti)) = .Vi - v'(tι) [5]

ce qui peut encore s'écrire :

ou encore :

V, = v₀+1/α . Δv^Δt [7]

Si l'on s'intéresse à une évolution de l'amplitude selon la courbe 42, on obtiendra de la même façon : V₂ = v₀+1/α . Δv₂/Δt [8]

Le choix de l'instant de la première mesure peut par exemple être effectué par le procédé au moyen d'un élément comparateur détectant la valeur v₀.

Dans ce cas, v₀ joue le rôle de seuil d'alerte indiquant la présence d'un signal et dont le dépassement active la fonction de CAG.

On constate au travers des relations [7] et [8] que si l'on effectue la mesure de l'amplitude du signal, à au moins deux instants connus pendant la phase d'établissement du signal, on est en mesure connaissant le comportement impulsionnel des étages d'entrée du récepteur, de déterminer la valeur de l'amplitude atteinte par le signal à l'issue de la phase d'établissement.

Cette constatation faite sur un exemple simple, est bien entendu generalisable aux cas où la réponse à un échelon des étages d'entrée est d'un autre ordre. L'expression de la relation [7] sera alors différente.

La figure 5 illustre une façon possible, présentée à titre d'exemple, de mettre en œuvre le procédé selon l'invention dans une chaîne de réception numérique. La chaîne de réception présentée sur la figure comporte de manière classique, trois étages analogiques. Dans cet exemple, le dernier étage, permettant le passage en bande de base 52 du signal reçu 51 , est réalisé par le modem numérique 511. Chacun des étages 53, 54 et 55 comporte en outre, un atténuateur commandable, respectivement 56, 57 et 58.

Le procédé de CAG selon l'invention met quant à lui en œuvre des moyens de mesure 59 de l'amplitude du signal et des moyens de traitement 510 qui effectuent l'estimation de l'amplitude du signal en régime établi et applique les corrections de gain aux différents étages. Les moyens de traitement réalisent une estimation de l'amplitude du signal établi à partir de la modélisation de la réponse à un échelon des étages 53, 54 et 55 de la chaîne de réception. Cette estimation peut être faite par calcul ou par indexation à une table.

Comme le montre la figure le procédé selon l'invention peut selon la position et la nature des moyens de mesure employés, effectuer la mesure de l'amplitude du signal reçu directement sur le signal en fréquence intermédiaire Fi2 (choix 1), c'est à dire à l'entrée du CAN, ou encore sur le signal Fi2 numérisé (choix 2), c'est à dire à la sortie du CAN. Comme cela a été décrit précédemment, les moyens de traitement réalisent à partir de deux mesures précoces de l'amplitude du signal, l'estimation de l'amplitude du signal en régime établi et applique les corrections de gain aux différents étages. Cette correction de gain peut avantageusement être répartie sur les différents étages de façon à adapter au mieux la dynamique du signal. D'autre part, la correction de gain ne procédant pas d'un système bouclé, elle présente l'avantage de pouvoir être appliquée précocement et en une seule fois. Ainsi, plutôt que de s'étaler dans le temps, les perturbations apportées au signal par la modification des caractéristiques des différents étages ont lieu simultanément et disparaissent plus rapidement.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de contrôle automatique du gain d'un récepteur, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - une étape de mesure de l'amplitude du signal reçu, cette étape comportant au moins deux mesures successives (37, 38) de ladite amplitude, lesdites mesures étant effectuées pendant la phase d'établissement (26) de l'onde porteuse, -. une étape de détermination précoce de la valeur de l'amplitude atteinte par l'onde porteuse durant la phases de garde (29) et la phase utile (28) du signal reçu, cette étape de détermination précoce étant réalisée à partir des mesures successives (37, 38) obtenues, -. une étape d'ajustement du gain de la partie de la chaîne de réception (53, 54, 55) située en amont du CAN, l'ajustement étant effectué en une seule fois pendant la phase d'établissement (26) de l'onde porteuse à partir du résultat de l'étape de détermination précoce, ces étapes permettant d'obtenir avant l'apparition de la phase utile (28) du signal reçu, un gain de la chaîne de réception adapté aux caractéristiques dudit signal.

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'étape de mesure de l'amplitude du signal comporte elle-même : - une détection d'un seuil d'alerte v₀ caractérisant la présence d'un signal, v₀ constituant la première mesure d'amplitude (37), - une deuxième mesure de l'amplitude du signal reçu (38), effectuée à un instant t'i espacé de l'instant d'alerte t'o d'un intervalle de temps suffisant pour permettre d'effectuer un calcul correct de la pente de l'amplitude de l'onde porteuse pendant la phase d'établissement (26).

3. Procédé selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la détermination précoce de l'amplitude l'onde porteuse en régime établi est réalisée à partir d'une modélisation de la réponse à un échelon des étages de la chaîne de réception.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mesures de l'amplitude de l'onde porteuse (37, 38) sont réalisées en un point de la chaîne de réception situé en amont du CAN.

5. procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les mesures d'amplitudes (37, 38) sont réalisées après le CAN.