Architecture de traitement du signal émission-réception numérique ...

Architecture de traitement du
signal émission-réception
numérique en radiotéléphonie
Ph. Mège Architecture de traitement du signal numérique en radiotéléphonie

Qu’est ce que le traitement du signal ?
• Panoplie de techniques pour:
2
– Mettre en forme
– Assurer le transport
– Extraire
les informations utiles
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Schéma général d ’une chaîne de traitement
du signal numérique
3
INFORMATIONS
D ’ORIGINE
(A TRANSMETTRE)
TRAITEMENT
DE SIGNAL
(EMISSION)
MEDIUM
(CANAL DE
TRANSMISSION)
TRAITEMENT
DE SIGNAL
(RECEPTION)
• Avant de regarder de plus près au traitement du
signal et à son architecture, jetons un coup d ’œil à
ce qui est autour.
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INFORMATIONS
RESTITUEES

Les informations d ’origine
• Nature des informations
4
– Son
• Parole
• Musique
– Image
• Image fixe
• Vidéo
– Données
– Signalisation
– …..
• données propres à la gestion du système de transmission
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Les informations d ’origine
• Débits:
5
– Palette très vaste
• de quelques kbits/s (parole) à plusieurs Mbits/s (Image et
données haut débit)
• la signalisation peut ne se voir allouer que des débits faibles
(de 100 bits/s à plusieurs kbits/s)
• Evolution des débits:
– Double tendance:
• augmenter les débits pour offrir des services de plus en plus
sophistiqués (données haut débit, vidéo, …)
• diminution du débit sur les services standards (Parole) pour
augmenter le nombre de communications offertes et donc
augmenter la capacité des systèmes.
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Les informations restituées
• Les informations restituées sont en général du même type
que les informations d ’origine
• Mais elles sont affectées par des erreurs liées à leur
traitement et à leur transmission (sur le médium de
transmission)
6
– les conséquences des erreurs dépendent du type d ’information:
• sur la phonie, une erreur provoquera, par exemple, une voix
métallique ou un clac dans l ’oreille
• sur l ’image, une erreur peut dégrader tout ou partie de l ’image
• sur les données, une erreur peut faire perdre tout le transfert de
données ou obliger à en ré-émettre une partie
– Les conséquences des erreurs sont donc plus ou moins fortes
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7
Qualité des informations restituées:
– L ’important est de satisfaire le besoin de l ’utilisateur, par
exemple:
• Parole:
– Reconnaître son correspondant
– Garantir l ’intelligibilité
– S ’écarter le moins possible du signal d ’origine (perceptuellement)
– Garantir un faible retard de transmission
• Image animée:
– Restituer les mouvements
– qualité plus ou moins élevée de l ’image selon l ’application (vidéosurveillance,
Vidéo-conférence, Qualité cinéma, …)
– Retard de transmission relativement peu sensible même en Vidéoconférence
ou en Visio-phonie)
• Données:
– Garantir un débit réel du transfert de données qui ne se dégrade pas
trop même si les conditions de transmission deviennent plus difficiles.
• Signalisation:
– Garantir l ’intégrité des informations restituées, quitte à rejeter des
informations insuffisamment sûres.
– Faible retard de transmission
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• Le traitement du signal, et donc la chaîne de
traitement numérique du signal, doit s ’adapter au
type d ’information à transmettre
• Comment assurer la transmission de ces divers
types d ’informations sur le canal radio ?
• Pour cela, voyons d ’abord les caractéristiques du
canal radio pour les applications radiomobiles
8
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Le canal de transmission (medium)
• Le canal de transmission doit être compris au sens large:
9
– Pour les radiomobiles, il s ’agit du lien par voie radio:
Emetteur Récepteur
– Pour une transmission filaire, il s ’agit de la transmission par fils ou câbles,
éventuellement à travers un réseau:
Emetteur Récepteur
– Il existe aussi d ’autres applications, par exemple le stockage en mémoire,
où le médium est le support de stockage:
Emetteur Récepteur
• Dans tous les cas, le médium est susceptible de générer des erreurs
en introduisant du bruit et éventuellement des distorsions
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Le canal de transmission radio
• Deux phénomènes fondamentaux liés à la
transmission sur le canal radio:
10
– Le bruit
– Les multitrajets de propagation
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Le canal de transmission radio (Le bruit)
• Le bruit thermique:
11
– Il est introduit au niveau des premiers étages d ’entrée
du récepteur
– Il est aléatoire
• on le modélise comme un bruit blanc, gaussien. Il s ’ajoute au
signal reçu
• on le nomme, en anglais, « AWGN = Additive White Gaussian
Noise »
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Le canal de transmission radio (Le bruit)
• Le bruit ambiant:
12
– Il peut être du, dans certaines bandes de fréquences, à
l ’activité industrielle dans la zone du récepteur: Bruit
industriel
– Il peut aussi être du à d ’autres émissions radios qui
s’effectuent dans la même bande de fréquence. On
parle dans ce cas d ’interférences
• les interférences peuvent être propres au système de
radiocommunication que l ’on utilise (réutilisation des mêmes
canaux de fréquence dans un réseau radiomobile)
• les interférences peuvent être dues à un autre système de
radiocommunication sur lequel on n ’a pas de contrôle
• les interférences peuvent être volontaires: on parle alors de
brouillage (contexte militaire ou équivalent)
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Le canal de transmission radio
Les multitrajets de propagation
• Dans une transmission par voie radio le signal transmis
subit des réflexions sur les obstacles:
13
Trajet direct
Trajet réfléchi
• Dans ce cas le récepteur (MS) reçoit d ’une part le signal
par le trajet direct, et d ’autre part, avec un retard, le
même signal par le trajet réfléchi. Les puissances reçues
par les trajets direct et réfléchi peuvent bien sûr être
différentes.
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Les multitrajets de propagation
• Le retard entre les deux trajets induit des
interférences inter-symboles:
14
Bit
1
Bit
1
Trajet direct:
Bit
2
Bit
3
Bit
4
Trajet réfléchi:
Bit
1
Bit
2
Bit
3
Bit
5
Bit
4
Signal reçu résultant:
Bit
21
Bit
32
Bit
43
Bit
54
Bit
6
Bit
5
Bit
65
Bit
7
Bit
6
Bit
76
Bit
8
Les symboles interfèrent mutuellement dans le signal reçu résultant
(il faut des traitements spécifiques pour récupérer les informations)
Bit
7
Bit
87
Bit
9
Bit
8
Bit
98
Bit
10
Bit
9
Bit
109
Bit
11
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Bit
10
Bit
11 10
Bit
12
Bit
11
Bit
12 11
Bit
12
Bit
12

Les multitrajets de propagation
• Selon la durée des symboles, et donc selon le débit transporté,
l ’influence de l ’interférence intersymboles est plus ou moins grande:
15
Forte interférence intersymboles:
Bit
1
Bit
2
Bit
1
Bit
3
Bit
2
Bit
4
Bit
3
Bit
5
Bit
4
Bit
6
Bit
5
Bit
7
Bit
6
Faible interférence intersymboles (mais risque de fading, disparition du signal):
Bit
8
Bit
7
Bit
9
Bit
8
Bit 1 Bit 2
Bit
10
Bit
9
Bit
11
Bit 1 Bit 2
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Bit
10
Bit
12
Bit
11
Bit
12

Les multitrajets de propagation
• Les interférences sont d ’autant plus grandes que:
16
– les retards entre les trajets sont grands
– la durée des bits (symboles) est faible
• Quand on a des réflexions sur les obstacles qui
ne provoquent que des retards faibles (comparés
à la durée bit ou symbole) entre trajets de
propagation, les interférences intersymboles sont
faibles. Par contre on se retrouve confronté au
fading
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Le fading
• Soient 2 trajets avec un faible retard en eux:
17
Trajet 1
Trajet 2
Bit 1 Bit 2
Bit 1 Bit 2
• Le signal reçu sur les deux trajets varie en amplitude et en phase
• Le signal résultant est donc: r n ≈ C 1*signal 1+C 2*signal 2
C1 et C2 sont les termes complexes représentant l ’amplitude et la phase
correspondant aux trajets 1 et 2
signal1 et signal2 sont les signaux reçus sur les trajets 1 et 2.
• Le retard entre les trajets étant faible, signal 1 et signal 2 sont presque égaux. On
constate donc que si C1+C2 est nul ou presque nul, alors le signal résultant devient très
faible ou disparaît.
• C ’est le phénomène du fading (évanouissement).
• Si l ’émetteur et/ou le récepteur bougent (radiomobile) les évanouissement apparaissent
et disparaissent à une fréquence croissante avec la vitesse du mobile.
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Le fading
• Le phénomème de fading peut aller jusqu ’à la
disparition complète et permanente du signal. On
dit que l ’on est alors dans un trou de fading.
• Ce phénomène est aisément expérimenté dans la
vie quotidienne:
18
– il est fréquent que, en stoppant dans un embouteillage
(ou à un feu), on ne reçoive plus rien sur son autoradio.
C ’est simplement parce que l ’on est dans un trou de
fading. Il suffit de déplacer le véhicule de quelques
dizaines de centimètres (donc moins d ’une longueur
d ’onde) pour sortir du trou de fading et recevoir à
nouveau sur l ’autoradio.
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Le fading
• En se déplaçant le véhicule (ou le piéton) se
déplace dans un réseau d ’interférences
présentant des minima (les trous) et des maxima
(les nœuds d ’interférence). Le mobile en se
déplaçant dans ce réseau d ’interférence va
successivement rencontrer des maxima et des
minima. C ’est ainsi que l ’on voit apparaître la
notion de (pseudo-)fréquence du fading.
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Le fading
• Si on regarde le spectre du fading (donc dans le
domaine des fréquences) on a:
20
- F Doppler
+ F Doppler
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Le fading
• Avec F Doppler qui est la fréquence Doppler:
• où v est la vitesse du mobile
• où c est la vitesse de la lumière
• où Fp est la fréquence porteuse (fréquence du
signal radio)
21
Doppler
F =
( v/ c). Fp
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Le fading
22
Amplitude du
fading (en dB)
10
0
- 1 0
- 2 0
- 3 0
- 4 0
- 5 0
- 6 0
- 7 0
r a y le ig h fading spectrum(fd = 100 Hz)
4 6 8 10 12 14 16 18
5 ms
Dans l ’exemple ci-dessus, F Doppler est égal à 100 Hz
Le fading varie dans le temps avec une pseudo-période égale à
1/(2.F Doppler ), c ’est à dire égale à 5 ms
La pseudo-période du fading est de 2.F Doppler , c ’est à dire 200 Hz
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Temps (en multiple
de 10 ms)

Donc, en radiocommunications (radiomobile), on a:
23
– soit des interférences intersymboles
– soit du fading (dit aussi fading plat)
– soit un mélange des deux
Les traitements à appliquer sur les signaux en émission
comme en réception seront donc différents selon le cas
De plus il faut aussi prendre en compte les
caractéristiques des éléments radio analogiques en
émission comme en réception:
– amplificateurs, transposition de fréquence, filtrage, contrôle de
fréquence, contrôle de gain, ...
qui peuvent apporter aussi des distorsions (non-linéarités
par exemple)
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On doit toujours savoir à quel type de
perturbation on se confronte pour faire un bon
design d’architecture de traitement du signal
On lutte d ’autant mieux contre une perturbation que
l ’on en connaît les caractéristiques
24
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Structure du traitement du signal
25
INFORMATIONS
D ’ORIGINE
(A TRANSMETTRE)
• Rentrons dans le détail des boites en traits pleins:
CODAGE DE
SOURCE
DECODAGE DE
SOURCE
TRAITEMENT
DE SIGNAL
(EMISSION)
CODAGE
DE CANAL
DECODAGE
DE CANAL
MEDIUM
(CANAL DE
TRANSMISSION)
MODULATION
DEMODU-
LATION
TRAITEMENT
DE SIGNAL
(RECEPTION)
ELEMENTS
RADIO
ANALOGIQUE
(EMISSION)
ELEMENTS
RADIO
ANALOGIQUE
(RECEPTION)
• On découpe donc le traitement du signal en
plusieurs boites élémentaires
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INFORMATIONS
RESTITUEES

Structure du traitement du signal
• Pourquoi découpe t ’on le traitement du signal en
plusieurs boites ?
26
– Car on cherche à traiter autant que possible les problèmes
séparément, quitte à optimiser ensuite l ’ensemble
• Quel est le rôle de ces différentes fonctions ?
Comment les réalise t ’on ?
– Nous allons les aborder une par une dans la suite
• On remarque que les fonctions en réception
correspondent aux fonctions en émission (modulation et
démodulation par exemple)
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Le codage/décodage de source
• Le principe du codage de source est d ’extraire du signal
d ’origine seulement les informations pertinentes.
• Ceci est possible car dans presque tous les cas le signal
source présente de la redondance
27
– c ’est vrai pour la parole, pour l ’image
– mais aussi pour les données
• Par le codage source on retire tout ou partie de cette
redondance en essayant de toucher le moins possible aux
informations vraiment utiles de façon à ne pas altérer (ou
faiblement) la qualité du signal
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Le codage de source
• Application du codage de source:
28
– Parole et son:
• Codeurs de parole pour le GSM, UMTS, TETRAPOL, TETRA,
DECT, ...
• Codeurs de parole très bas débit pour applications militaires
• Utilisation pour les répondeurs-enregistreurs numériques
• Codeurs de parole pour la voix sur IP
• Compact Disc
• DAB (Digital Audio Broadcasting)
• ...
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Le codage de source
• Application du codage de source:
29
– Image:
• Codage d ’images animées pour le DVB
• Codages d ’Image animées MPEG (pour de nombreuses
applications)
• Compression d ’image pour la télévision par satellite
• ...
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Le codage de source
30
• Applications du codage de source:
– Compression de données:
• Codage d ’Huffman
• Fichiers zippés
• Codage de texte pour la transmission de fax
• ...
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Codage de source
• Le codage de source permet de réduire la
quantité de données à transmettre
• Cela réduit donc le temps de transmission
• Cela permet donc surtout de réduire la charge sur
les réseaux et de pouvoir transmettre un plus
grand nombre de communications
• Cela permet d ’économiser les ressources (en
radio ce sont les canaux de fréquences qui sont la
ressource rare)
31
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Codage de source
• Pour effectuer le codage de source on utilise
souvent des modèles liés à la façon dont les
signaux d ’origine sont engendrés:
32
– exemple du codage de parole:
• excitation des cordes vocales
• passage de l ’air dans le conduit vocal
• influence du palais et des lèvres
• ...
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Décodage de source
• Le décodage de source (symétrique du codage)
permet de restituer une bonne image du signal
source
• Cette image restituée doit être perceptuellement
proche du signal d ’origine
33
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Résumé du codage/décodage source
34
SOURCE
P b/s
CODAGE
DE SOURCE
Q b/s
• On a Q < P: c ’est à dire que l ’on effectue une
compression
• La capacité du système de transmission croît
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• Maintenant que l ’on a, après le codage de
source, représenté le signal d ’origine avec un
minimum d ’informations on va chercher à
protéger ces informations de façon quelles soient
le moins possible perturbées par les erreurs de
transmission qui seront générées au cours de la
transmission sur le medium (le canal radio)
• Pour cela on applique le codage de canal
35
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Le codage/décodage de canal
• Fonction du codage de canal:
– assurer la protection des données brutes ou issues du codage de
source contre les erreurs
• Origine des erreurs:
36
– en radio communications:
• dues a la propagation radio, au bruit, au fading, aux interférences
– en transmission de données sur voie filaire:
• dues au bruit, aux écho électriques, aux distorsions, aux interférences
(sur paires téléphoniques, sur câbles coaxiaux et dans les réseaux)
– dans les applications de stockage:
• elles peuvent être dues au support d ’enregistrement qui engendre
aussi du bruit thermique et qui peut se dégrader:
– les rayures sur les Compact Disc et CDROM (par exemple)
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Le codage/décodage de canal
• Il faut donc connaître les caractéristiques du support de
transmission (ou de stockage) pour adapter la protection à
apporter
37
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Le codage de canal
• Le principe du codage canal est de rajouter de la
redondance au signal à transmettre
• Le codage le plus simple consiste à répéter
plusieurs fois la même information et, à la
réception, d ’effectuer un vote majoritaire
38
– Si on répète 3 fois, que l ’on reçoit deux fois la même
chose, et une troisième fois quelque chose de différent
– alors il sera très probable que ce qui a été transmis
correspond à ce qui a été reçu identiquement deux fois
– on dit alors que l ’on a une capacité de correction
d ’une erreur
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Codage de canal
• Bien sûr, des techniques de codage beaucoup plus
sophistiquées et beaucoup plus efficaces existent
• Elles permettent d ’avoir une capacité de correction plus
élevée que la simple répétition de l ’information tout en ne
demandant pas une trop grande redondance
• En effet il faut en général que la redondance reste
raisonnable de façon à ne pas trop augmenter le débit
• De plus certains codes permettent aussi de détecter des
erreurs. Ceci permet de rejeter un message (ou une partie
de message) quand on ne veut absolument pas recevoir
des informations erronées (c ’est vrai pour les informations
de signalisation et dans les systèmes de sécurité par
exemple)
39
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Codage/décodage de canal
• Le décodage de canal consiste à reconstituer au
mieux le signal d ’origine à partir du signal reçu
grâce à la redondance
• Les méthodes de codage/décodage de canal font
appel à des méthodes de traitement
mathématique algébrique et à des méthodes
d ’optimisation de la vraisemblance des
informations décodées
40
– Il existe deux grandes familles de codage canal
• les codes en blocs
• les codes convolutifs
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• Après le codage de canal on se trouve avec un
signal codé présentant une résistance aux erreurs
plus élevée que celle du signal d ’origine
41
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Résumé du codage/décodage de canal
• Du fait de l ’ajout de redondance, on a R > Q
• C ’est le prix à payer pour bien protéger les
informations à transmettre
42
CODAGE CODAGE
DE SOURCE Qb/s DE CANAL Rb/s Ph. Mège Architecture de traitement du signal numérique en radiotéléphonie

• Après codage de source et codage de canal on
obtient un signal numérique
• Il va falloir le mettre en forme pour pouvoir le
transmettre sur le canal de transmission (le canal
radio)
• C ’est le rôle de la modulation
43
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La modulation/démodulation
• Il faut transformer les informations numériques en
un signal transmissible par voie radio
44
– ce signal doit être transmis autour d ’une fréquence porteuse (F p)
– ce signal doit occuper une bande de fréquence
0
(de largeur limitée : B) autour de la fréquence porteuse
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B
F p
Spectre du
signal
modulé
Fréquence

La modulation
• Dans les systèmes radiomobiles, et plus
généralement dans les systèmes de
radiocommunications, ce sont les bandes de
fréquences disponibles (ou qui peuvent être
libérées) qui sont la denrée rare
• Il est donc absolument nécessaire de
l ’économiser de façon à offrir le maximum de
débit (et donc de service) à un très grand nombre
d ’utilisateurs
45
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La modulation
• Il est donc indispensable que la modulation
utilisée occupe un spectre le plus petit possible
relativement
46
– au nombre de communications passées simultanément
– et au débit transmis
• On parle alors de l ’efficacité spectrale de la
modulation
– c ’est un élément clé dans les systèmes radiomobiles
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La modulation
• Expression générale d ’un signal modulé:
47
– Signal non modulé (porteuse pure):
• A 0 .sin(2π.F p .t)
– Signal modulé:
• E(t)=A(t).sin(2π.F p .t+ϕ(t))
• ou E(t)=I(t).cos(2π.F p .t)+Q(t).sin(2π.F p .t)
• Ces deux expressions sont équivalentes
– on joue donc
soit sur l ’amplitude et la phase
soit sur l ’amplitude de deux porteuses en quadrature
• La modulation consiste donc à transformer la succession
des bits à transmettre en (A(t), ϕ(t)) ou en (I(t), Q(t)), puis
en le signal modulé correspondant
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La modulation
• Une modulation très simple consiste, si on veut
transmettre un débit de D bits/s, à générer le
signal d ’amplitude A(t) suivant:
48
A(t)=2.b n-1 pour: nT

La modulation
49
On peut représenter la constellation de la modulation
dans le plan (I,Q):
Q
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I

La modulation
• De même une modulation numérique de phase
très simple:
50
ϕ(t)=(2 b n -1). ϕ 0
avec T=1/D
pour: nT

La modulation
51
On peut représenter la constellation de la modulation
dans le plan (I,Q):
Q
ϕ 0
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I

La modulation
• De même une modulation numérique de
fréquence très simple:
52
f(t)=(2 b n -1). Δf pour: nT

La démodulation
• si l ’on connaît la modulation on peut appliquer la
fonction inverse à la réception (la démodulation)
• il ne faut pas oublier cependant que le signal reçu
est entaché par les distorsions et le bruit dus au
canal de transmission
• en particulier se pose le problème des multitrajets
de propagation et donc des interférences
intersymboles
• Dans le cas d ’interférences intersymboles
significatives il faut faire de l ’égalisation ou un
traitement équivalent
53
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La démodulation en présence
d ’interférences intersymboles
54
• Si on a plusieurs trajets on a le signal reçu
composite suivant:
R(t)=Σ C i(t).E(t-τ i(t)) + b(t)
où E est le signal émis
R le signal reçu
les C i(t) sont les coefficients (complexes) des différents trajets
les τ i(t) sont les retards des différents trajets
b est le bruit
On peut le réécrire sous la forme:
R(t)=C(t)*E(t) + b(t) (où * est la convolution et C(t) est
le filtre équivalent au canal de transmission)
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La démodulation en présence d ’interférences
intersymboles
• Si on néglige le bruit dans un premier temps:
55
R(t)=C*E(t) Pour retrouver E(t) à partir à partir de R(t)
– il faut connaître C(t)
– il faut donc estimer le canal
• Pour cela, dans le GSM, on insère, au milieu du burst, une séquence
(S(t)) connue de l’émetteur et du récepteur
– pendant la réception de cette séquence, on reçoit:
R s(t) = C(t) * S(t) (on connaît R s (t) et S(t), on calcule donc C(t))
Si on fait l ’hypothèse de stationnarité du canal sur la durée du burst, on peut
appliquer C(t) sur l ’ensemble du burst:
R(t) = C(t) * E(t)
R(t) et C(t) sont connus donc on peu calculer E(t) qui est
le signal modulé émis. On peut donc retrouver les
bits transmis (au pris d ’un traitement d ’égalisation ou
équivalent)
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