RECUPERATION DE PORTEUSE UTILISANT UNE MODULATION-DEMODULATION POINÇONNEE A 4 ETATS DE PHASECARRIER RECOVERY USING 4-PHASE PUNCHED MODULATION-DEMODULATION
Ce procédé décrit est une technique de modulation-démodulation destiné au domaine des télécommunications qui utilisent une transmission en mode paquet, cas par exemple des transmissions basées sur un partage d'accès temporel (AMRT,This described method is a modulation-demodulation technique intended for the telecommunications field which uses a packet mode transmission, for example transmissions based on a time access sharing (TDMA,
TDMA en anglais pour « Time Division Multiple Access »). Ce procédé a pour objet de faciliter la récupération de porteuse de paquets émis à l'aide d'une modulation à déplacement de phase, MDP4 (QPSK en anglais) à faible débit et reçu, à très faible rapport signal à bruit (C/N, carrier to noise ratio). Le gain obtenu se traduit par une bande d'accrochage du démodulateur améliorée ainsi qu'un taux de perte de paquets réduit à faible C/N, bien adapté aux techniques de codage comme le codage convolutionnel ou les turbo-codes, qui permettent de fonctionner à très faible C/N lorsque le démodulateur n'en restreint pas le fonctionnement.TDMA in English for "Time Division Multiple Access"). The purpose of this method is to facilitate the recovery of carrier of packets transmitted using phase shift modulation, MDP4 (QPSK in English) at low bit rate and received, with very low signal to noise ratio (C / N , carrier to noise ratio). The gain obtained results in an improved demodulator hooking band as well as a reduced packet loss rate at low C / N, well suited to coding techniques such as convolutional coding or turbo-codes, which make it possible to operate. at very low C / N when the demodulator does not restrict its operation.
Ce procédé a été élaboré pour les applications de télécommunications d'accès par satellite, notamment pour les applications téléphoniques qui conduisent à l'émission de paquets courts en mode AMRT, ou pour l'accès Internet par satellite. Il pourrait s'appliquer pour les mêmes raisons aux réseaux cellulaires terrestres (GSM, ...). L'amélioration de la bande d'accrochage pour l'émission de terminaux d'accès vers les stations centrales des réseaux peut se traduire par un relâchement des performances de stabilité de fréquence émission de ces terminaux, et donc un impact significatif sur leur complexité et prix.This process was developed for satellite access telecommunications applications, in particular for telephone applications which lead to the transmission of short packets in TDMA mode, or for Internet access by satellite. It could apply for the same reasons to terrestrial cellular networks (GSM, ...). The improvement in the hanging band for the transmission of access terminals to the central stations of the networks can result in a relaxation of the transmission frequency stability performance of these terminals, and therefore a significant impact on their complexity and price.
Le présent texte a pour objet de décrire le procédé de modulation-démodulation et donne un exemple de processus de démodulation à traitement numérique mis en œuvre. Les performances données par la suite résultent de simulations sur un modèle similaire à celui qui pourrait être utilisé dans une implantation sur un DSP (digital signal processor).The purpose of this text is to describe the modulation-demodulation process and gives an example of a digital processing demodulation process implemented. The performances given below result from simulations on a model similar to that which could be used in an implementation on a DSP (digital signal processor).
Dans un accès AMRT utilisant des paquets courts (ex. 100 symboles), le préambule (mot unique + intervalle de garde) doit être petit sous peine de réduire l'efficacité de trame (20-30 symboles). Il est nécessaire dans ces conditions d'utiliser les symboles véhiculant l'information pour assurer la récupération de porteuse. Cette opération est généralement faite en multipliant la porteuse reçue par 4 (avec une modulation MDP- 4, la phase des échantillons des symboles reçus est multipliée par 4) en vue de supprimer la modulation, ou par des opérations similaires de re-modulation. Le résultat obtenu après cette opération conduit à une forte dégradation du bruit de phase de la porteuse notamment lorsque le C/N de réception est faible (< 5 dB), avec le risque de
voir apparaître dans le spectrogramme du paquet ainsi traité, des maximums à des fréquences différentes de la fréquence porteuse réelle (sur la figure 1 , la fréquence recherchée est au centre du spectre, ce qui n'est pas le maximum), donc conduisant à des estimations de fréquence erronées et à une détection fortement erronée du paquet.In an TDMA access using short packets (eg 100 symbols), the preamble (single word + guard interval) must be small, otherwise the frame efficiency will be reduced (20-30 symbols). In these conditions, it is necessary to use the symbols conveying the information to ensure carrier recovery. This operation is generally done by multiplying the carrier received by 4 (with MDP-4 modulation, the phase of the samples of the symbols received is multiplied by 4) in order to remove the modulation, or by similar re-modulation operations. The result obtained after this operation leads to a strong degradation of the carrier phase noise, especially when the reception C / N is low (<5 dB), with the risk of see appearing in the spectrogram of the packet thus treated, maxima at frequencies different from the real carrier frequency (in FIG. 1, the frequency sought is at the center of the spectrum, which is not the maximum), therefore leading to erroneous frequency estimates and strongly erroneous detection of the packet.
Comparativement à une modulation MDP-4, la même opération effectuée sur une modulation 2 phases (MDP-2) réduit considérablement le risque de fausse décision après l'opération de suppression de la modulation, qui se limite dans ce cas à une multiplication par 2 de la phase des échantillons de la porteuse reçue. Compte tenu des remarques précédentes, le procédé consiste à remplacer dans un paquet émis, certains symboles transmis normalement en MDP-4, par des symboles en MDP-2, qui SEULS, parmi les symboles transportant des données, seront utilisés par le démodulateur pour l'acquisition porteuse du paquet reçu. Le terme poinçonnage est utilisé pour cette transformation de symboles MDP-4 en MDP-2 par analogie au poinçonnage utilisé dans les techniques de codage. Cette transformation de certains symboles MDP-4 en MDP-2 s'accompagne d'une réduction du nombre de bits transmis sur ces symboles, de 2 en (MDP-4) à 1 (MDP-2). Dans le cas où les bits transmis sont issus d'un codage, la suppression simultanée d'un bit transmis pour les symboles transformés en MDP-2 permet de conserver le même nombre de bits d'information utiles (avant codage) et revient à faire un poinçonnage additionnel sur le codage. A titre d'exemple, si l'on suppose que tous les q symboles, on effectue une transformation MDP-4 -> MDP-2, le nombre de bits transmis est réduit par le facteurCompared to an MDP-4 modulation, the same operation performed on a 2-phase modulation (MDP-2) considerably reduces the risk of a false decision after the operation to suppress the modulation, which in this case is limited to a multiplication by 2. of the phase of the samples of the carrier received. Taking into account the preceding remarks, the method consists in replacing in a transmitted packet, certain symbols transmitted normally in MDP-4, by symbols in MDP-2, which ONLY, among the symbols transporting data, will be used by the demodulator for the carrier acquisition of the received packet. The term punching is used for this transformation of MDP-4 symbols into MDP-2 by analogy to punching used in coding techniques. This transformation of certain MDP-4 symbols into MDP-2 is accompanied by a reduction in the number of bits transmitted on these symbols, from 2 in (MDP-4) to 1 (MDP-2). In the case where the transmitted bits come from an encoding, the simultaneous removal of a transmitted bit for the symbols transformed into MDP-2 makes it possible to keep the same number of useful information bits (before encoding) and amounts to doing additional punching on the coding. For example, if we assume that all q symbols, we perform a transformation MDP-4 -> MDP-2, the number of bits transmitted is reduced by the factor
(2q-1) / 2q Si le codage utilisé avait une efficacité R, le poinçonnage simultané des bits codés et des symboles MDP-4 revient à transformer l'efficacité de codage en(2q-1) / 2q If the coding used had an R efficiency, the simultaneous punching of the coded bits and of the MDP-4 symbols amounts to transforming the coding efficiency into
R x 2q / (2q-1) tout en maintenant le même nombre de bits d'information (avant codage) transmis, donnant du point de vue occupation de bande ce que l'on aurait avec le codage initial d'efficacité R, en MDP-4. Cette augmentation de l'efficacité de R à R x 2q / (2q-1 ) crée une dégradation duR x 2q / (2q-1) while maintaining the same number of bits of information (before coding) transmitted, giving from the band occupation point of view what one would have with the initial coding of efficiency R, in 4-PSK. This increase in efficiency from R to R x 2q / (2q-1) creates a degradation of the
Eb/No. On pourrait s'attendre à avoir la performance, en terme de Eb/No, du codage R x 2q / (2q-1 ). En fait, la dégradation est partiellement compensée par le fait que les symboles MDP-2 ont une meilleure protection à même puissance crête que les symboles MDP-4. Dans un décodage calculant une métrique (exemple Viterbi), le poids des symboles MDP-2 est automatiquement pris en compte. La performance en
Eb/No se situe donc entre celle d'un code d'efficacité R et celle d'un code d'efficacité R x 2q / (2q-1 ). A titre d'exemple, avec q=2 et un codage convolutionnel R=1/2 l'opération de poinçonnage donne un codage apparent 1 x 4/3 = 2/3. Un codage 2/3 donne une dégradation de Eb/No de 0.8 dB par rapport au codage /2. Les résultats de simulation montrent que la technique de poinçonnage n'introduit une dégradation que de 0.4 dB. Cette valeur se réduit en augmentant la valeur de q.Eb / No. We could expect to have the performance, in terms of Eb / No, of the coding R x 2q / (2q-1). In fact, the degradation is partially offset by the fact that the MDP-2 symbols have better protection at the same peak power than the MDP-4 symbols. In a decoding calculating a metric (example Viterbi), the weight of the MDP-2 symbols is automatically taken into account. Performance in Eb / No is therefore between that of an efficiency code R and that of an efficiency code R x 2q / (2q-1). For example, with q = 2 and a convolutional coding R = 1/2 the punching operation gives an apparent coding 1 x 4/3 = 2/3. 2/3 coding gives a degradation of Eb / No of 0.8 dB compared to coding / 2 . The simulation results show that the punching technique only introduces a degradation of 0.4 dB. This value is reduced by increasing the value of q.
De plus, le procédé présente un avantage pour les transmissions à faible débit, en réduisant l'effet du bruit de phase dans la récupération porteuse et la démodulation.In addition, the method has an advantage for low bit rate transmissions, by reducing the effect of phase noise in carrier recovery and demodulation.
A l'inverse, si l'on admet d'augmenter le nombre de symboles transmis, sans poinçonner les bits issus du codage, il en résulte une augmentation du nombre de symboles à transmettre dans le rapport 2q / (2q-1 ), et une performance en terme de Eb/No améliorée par rapport au codage initial R, du fait que les symboles MDP-2 ont une meilleure protection.Conversely, if it is accepted to increase the number of symbols transmitted, without punching the bits resulting from the coding, this results in an increase in the number of symbols to be transmitted in the ratio 2q / (2q-1), and improved performance in terms of Eb / No compared to the initial encoding R, because the MDP-2 symbols have better protection.
La récupération porteuse dans le démodulateur est basée sur l'utilisation du préambule et des symboles MDP-2 créés dans le paquet, comme expliqué précédemment (figure 2).Carrier recovery in the demodulator is based on the use of the preamble and the MDP-2 symbols created in the packet, as explained previously (Figure 2).
Pour effectuer la récupération porteuse après synchronisation du mot unique, les lignes suivantes décrivent un exemple de traitement numérique. Dans cet exemple, le paquet reçu est représenté par une suite d'échantillons complexes représentant les symboles, obtenus par échantillonnage de la porteuse reçue, à la fréquence symbole, sur 2 voies en quadrature:To perform carrier recovery after synchronization of the single word, the following lines describe an example of digital processing. In this example, the received packet is represented by a series of complex samples representing the symbols, obtained by sampling the received carrier, at the symbol frequency, on 2 quadrature channels:
• Seuls les symboles MDP-2, parmi ceux véhiculant les bits d'information, sont utilisés.• Only the MDP-2 symbols, among those conveying the information bits, are used.
• la modulation du mot unique (connue) est supprimée • la phase des symboles BPSK conservés, est multipliée par 2• the modulation of the single word (known) is removed • the phase of the preserved BPSK symbols, is multiplied by 2
• les symboles BPSK sont sommés par groupe de k symboles pour constituer des vecteurs de rapport C/N suffisamment élevé pour que l'on puisse en extraire la phase. Cette phase des vecteurs résultants est ensuite divisée par 2 (figure 2)• the BPSK symbols are summed by group of k symbols to constitute vectors of C / N ratio sufficiently high so that the phase can be extracted therefrom. This phase of the resulting vectors is then divided by 2 (Figure 2)
• Sur l'ensemble de ces vecteurs (incluant ceux obtenus en effectuant une sommation identique sur les mots uniques), on développe la phase de cette séquence de vecteurs (ramène les écarts de phase entre 2 vecteurs a ±π) et l'on calcule par régression sur la phase développée, la phase et la fréquence de la porteuse, qui permettent d'obtenir l'estimation recherchée.
» Du fait de l'ambiguïté de phase ±π, et de la sommation des symboles, il est nécessaire d'effectuer les opérations précédentes pour un certain nombre d'hypothèses de fréquence telles que pour chaque hypothèse, l'erreur de fréquence à priori n'entraîne pas une rotation de phase trop importante des échantillons de symboles sommés. Pour chaque hypothèse de fréquence, après obtention de la phase et la fréquence comme décrite précédemment, on projette et somme sur cette référence les symboles pour constituer un critère de sélection (maximum de vraisemblance, équivalent à la transformée de Fourrier de la séquence de symboles à la fréquence estimée). Pour l'ensemble des hypothèses faites, la sélection est obtenue sur le critère calculé conduisant à un maximum. Typiquement le pas maximum des hypothèses de fréquence dépend de la durée t séparant les k symboles BPSK sommés, se situe autour de 1/5t.• On all of these vectors (including those obtained by performing an identical summation on the unique words), we develop the phase of this sequence of vectors (reduce the phase differences between 2 vectors a ± π) and we calculate by regression on the developed phase, the phase and the frequency of the carrier, which make it possible to obtain the sought estimate. » Due to the phase ambiguity ± π, and the summation of the symbols, it is necessary to carry out the above operations for a certain number of frequency hypotheses such that for each hypothesis, the frequency error a priori does not cause excessive phase rotation of the summed symbol samples. For each frequency hypothesis, after obtaining the phase and the frequency as described above, the symbols are projected and summed on this reference to constitute a selection criterion (maximum likelihood, equivalent to the Fourier transform of the sequence of symbols to estimated frequency). For all the assumptions made, the selection is obtained on the calculated criterion leading to a maximum. Typically the maximum step of the frequency hypotheses depends on the duration t separating the k summed BPSK symbols, is around 1 / 5t.
Le procédé décrit précédemment peut être utilisé pour effectuer simultanément la détection du mot unique et la détection de l'instant d'échantillonnage, avec la récupération porteuse. En effet, si l'on dispose d'une puissance de calcul suffisante pour effectuer cette opération en faisant glisser la séquence des symboles échantillonnés précédents au pas de la période d'échantillonnage (supposant donc que l'on dispose de plusieurs échantillons par symbole, 8-16) de la porteuse reçue, le critère de vraisemblance précédent est maximum lorsque le mot unique est synchronisé et lorsque l'instant d'échantillonnage est optimal pour le symbole.The method described above can be used to simultaneously perform the detection of the single word and the detection of the sampling instant, with carrier recovery. Indeed, if there is sufficient computing power to perform this operation by dragging the sequence of the preceding sampled symbols at the step of the sampling period (therefore assuming that there are several samples per symbol, 8-16) of the received carrier, the previous likelihood criterion is maximum when the single word is synchronized and when the sampling instant is optimal for the symbol.
A titre d'exemple les performances obtenues par simulation de la démodulation sur un grand nombre de paquets échantillonnés sont données ci-dessous pour une modulation MDP-4, avec une erreur de fréquence à l'entrée du démodulateur de 5% du débit symbole (60 kbaud). La simulation n'inclue pas la quantification et le filtrage (peuvent amener une dégradation de l'ordre de 1 dB), mais inclue le bruit de phase.As an example, the performances obtained by simulating demodulation on a large number of sampled packets are given below for MDP-4 modulation, with a frequency error at the input of the demodulator of 5% of the symbol rate ( 60 kbaud). The simulation does not include quantization and filtering (can lead to degradation of around 1 dB), but does include phase noise.
Paquet de données 108 bits108 bit data packet
qq
Préambule 24 symbolesPreamble 24 symbols
Codage (FEC) 1/2 (L=7) E Ebb//NNoo 3 3 ddBB 2.5 dBCoding (FEC) 1/2 (L = 7) E Ebb // NNoo 3 3 ddBB 2.5 dB
BER < 1.5 10-3 < 5 10-3BER <1.5 10-3 <5 10-3
Taux de perte de paquet < 10-4 < 4 10-4
Le procédé est généralisable à toute modulation de phase ou QAM (quadrature amplitude modulation) obtenue en modulant en amplitude 2 voies en quadrature. Les symboles poinçonnés sont obtenus en appliquant la même modulation sur les 2 voies, qui peuvent être multi-niveaux (QAM). Pour simplifier cette présentation, la répartition des symboles MDP-2 parmi les symboles MDP-4 a été supposée périodique. Ceci n'est pas une nécessité. Il suffit que les symboles MDP-2 soient distribués en moyenne de façon uniforme mais avec une loi de distribution connue du démodulateur.Package loss rate <10-4 <4 10-4 The method can be generalized to any phase modulation or QAM (quadrature amplitude modulation) obtained by modulating in amplitude 2 channels in quadrature. The punched symbols are obtained by applying the same modulation on the 2 channels, which can be multi-level (QAM). To simplify this presentation, the distribution of the MDP-2 symbols among the MDP-4 symbols has been assumed to be periodic. This is not a necessity. It suffices that the MDP-2 symbols are distributed on average in a uniform manner but with a distribution law known to the demodulator.
Par ailleurs, la séparation entre le poinçonnage du codage émission et le poinçonnage des symboles MDP-X du modulateur permet d'obtenir un très grand éventail de configurations de transmission et permet de contrôler le nombre de bits par hertz transmis, l'efficacité de codage, les performances de Eb/No.Furthermore, the separation between the punching of the transmission coding and the punching of the MDP-X symbols of the modulator makes it possible to obtain a very wide range of transmission configurations and makes it possible to control the number of bits per hertz transmitted, the coding efficiency. , the performances of Eb / No.
D'une façon plus générale, la technique proposée consiste à partir d'une modulation à « N » états (amplitude et phase) et à remplacer certains symboles à N états par des symboles issus d'une modulation à « M » états (M < N) avec lesquels les opérations de récupération porteuse se trouvent simplifiées et améliorées en terme de plage d'acquisition en fréquence.More generally, the proposed technique consists in starting from a modulation with “N” states (amplitude and phase) and in replacing certain symbols with N states by symbols resulting from a modulation with “M” states (M <N) with which the carrier recovery operations are simplified and improved in terms of frequency acquisition range.
Le procédé décrit s'adresse à une réalisation de la démodulation par traitement numérique, dont la simulation permet d'en valider fidèlement les performances. Le procède permettant de n'utiliser que les symboles poinçonnés pour effectuer les opérations de récupération porteuse, réduit donc le nombre d'opérations à effectuer en traitement numérique.
The method described is intended for carrying out demodulation by digital processing, the simulation of which allows its performance to be validated faithfully. The process making it possible to use only the punctured symbols to carry out carrier recovery operations, therefore reduces the number of operations to be carried out in digital processing.