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EP3991373A1 - Method for generating a signal comprising a succession of chirps over time, method for estimating vehicle symbols using such a signal, computer program products and corresponding devices - Google Patents

Method for generating a signal comprising a succession of chirps over time, method for estimating vehicle symbols using such a signal, computer program products and corresponding devices

Info

Publication number
EP3991373A1
EP3991373A1 EP20733300.6A EP20733300A EP3991373A1 EP 3991373 A1 EP3991373 A1 EP 3991373A1 EP 20733300 A EP20733300 A EP 20733300A EP 3991373 A1 EP3991373 A1 EP 3991373A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chirp
chirps
symbol
given
modulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20733300.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Guillaume Ferre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3991373A1 publication Critical patent/EP3991373A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L27/00Modulated-carrier systems
    • H04L27/10Frequency-modulated carrier systems, i.e. using frequency-shift keying
    • H04L27/103Chirp modulation
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B1/00Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/69Spread spectrum techniques
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B1/00Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/69Spread spectrum techniques
    • H04B2001/6912Spread spectrum techniques using chirp

Definitions

  • TITLE Method for generating a signal comprising a temporal succession of chirps, method for estimating symbols conveyed by such a signal, computer program products and corresponding devices.
  • the field of the invention is that of the transmission of data via the use of a waveform called “chirp”.
  • the invention relates more particularly to a method for generating and processing such a waveform which exhibits improved performance compared to existing techniques with comparable complexity of implementation.
  • Such a waveform is used for data transmission via communication links of different kinds, eg acoustics, radio frequency, etc.
  • the LoRa ® technology dedicated to low consumption transmission by objects connected via a radiofrequency link uses such a waveform.
  • the invention thus has applications, in particular, but not exclusively, in all areas of personal and professional life in which connected objects are present. These include, for example, the fields of health, sport, domestic applications (security, household appliances, etc.), object tracking, etc.
  • these connected objects are for the most part nomadic. In particular, they must be able to transmit the data produced, regularly or on demand, to a remote user.
  • patent EP 2 449 690 B1 describes an information transmission technique, on which the LoRa ® technology is based.
  • the first feedback comes from unsatisfactory user experiences linked to the limited performance of the radio link in real conditions.
  • the modulation used appears to be sensitive to both the temporal and the frequency synchronization of the receiver.
  • intra-system collisions between transmissions from different objects connected to a given base station are inevitable.
  • the use of the ISM frequency band amplifies this phenomenon via potential interference with other radio frequency devices using other radio protocols in the same frequency band (inter-system collisions).
  • a method for generating a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to Ml.
  • the s-th chirp results from a modulation of a basic chirp of which an instantaneous frequency varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during a symbol time Ts.
  • Such a generation method comprises, for the generation of a given chirp in the temporal succession of chirps:
  • the invention proposes a new and inventive solution for improving the performance in real conditions of a communication system using a modulation based on the circular permutation of the variation pattern of the instantaneous frequency of a basic chirp for transmitting symbols. of constellation.
  • the differential encoding of the information symbols before the actual modulation of the chirps makes it possible to strengthen the communication link with respect to synchronization errors in time and / or in frequency. Due to its more robust behavior to time synchronization problems, the system is also found to be more robust in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
  • the differential encoding implements a modulo M addition between, on the one hand, a first operand function of said modulation symbol associated with said chirp preceding said given chirp and, on the other hand, a second operand function of said given information symbol delivering said given modulation symbol.
  • the differential encoding and the modulation are implemented iteratively for a succession of information symbols delivering a series of chirps in said temporal succession of chirps.
  • a predetermined constellation symbol is used instead of said modulation symbol associated with said chirp preceding said given chirp.
  • a method for estimating at least one information symbol of a constellation of M symbols conveyed by a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of said constellation of M symbols.
  • the s-th chirp results from a modulation of a basic chirp of which an instantaneous frequency varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during a symbol time Ts.
  • Such an estimation method comprises, for a portion of said signal representative of a given chirp in said temporal succession of chirps: a demodulation of said portion of said signal delivering an estimate of a modulation symbol associated with said given chirp; and
  • differential decoding between, on the one hand, the estimate of the modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, an estimate of a modulation symbol previously obtained by implementation of said demodulation applied to another portion of said signal representative of a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps, said differential decoding delivering a decoded symbol, an estimate of an information symbol conveyed by said signal being a function of said decoded symbol.
  • the differential decoding of the modulation symbols makes it possible to improve the performance of data estimation in the presence of time synchronization errors. and / or in frequency as well as in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
  • the differential decoding implements a modulo M difference between, on the one hand, a first operand dependent on the estimate of the modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, a second operand function of the estimate of the modulation symbol obtained beforehand delivering the estimate of the information symbol conveyed by the signal.
  • the demodulation and the differential decoding are implemented iteratively for a succession of portions of the signal representative of a series of chirps in said temporal succession of chirps delivering a corresponding series of decoded symbols, a series of estimates. of information symbols conveyed by said signal being a function of said series of decoded symbols.
  • a predetermined constellation symbol is used instead of the estimate of the modulation symbol obtained beforehand.
  • the demodulation of the signal implements:
  • said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp being a function of an index of a sample of highest amplitude among said N transformed samples.
  • the instantaneous frequency of the basic chirp varies linearly between the first instantaneous frequency and the second instantaneous frequency during the symbol time Ts.
  • the disclosed technique is applicable for example to LoRa ® system.
  • the invention also relates to a computer program comprising program code instructions for implementing a method as described above, according to any one of its various embodiments, when it is executed on a computer. computer.
  • a device for generating a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps.
  • a generation device comprises a reprogrammable computing machine or a dedicated computing machine configured to implement the steps of the generation method according to the invention (according to any one of the various aforementioned embodiments).
  • the characteristics and advantages of this device are the same as those of the corresponding steps of the generation method described above. Therefore, they are not detailed further.
  • Such an estimation device comprises a reprogrammable computing machine or a dedicated computing machine configured to implement the steps of the estimation method according to the invention (according to any one of the various aforementioned embodiments).
  • the characteristics and advantages of this device are the same as those of the corresponding steps of the estimation method described above. Therefore, they are not detailed further.
  • FIG. la [Fig. lb] and [Fig. le] illustrate the modulation of a basic chirp via a circular permutation of the variation pattern of its instantaneous frequency
  • FIG. 2 represents the steps of a method for generating a signal comprising a temporal succession of modulated chirps according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 represents an example of a device structure allowing the implementation of the steps of the generation method of FIG. 2 according to one embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents the steps of a method of estimating information symbols carried by a signal such as generated by the method of FIG. 2 according to one embodiment of the invention
  • FIG. 5 represents an example of a device structure allowing the implementation of the steps of the estimation method of FIG. 4 according to one embodiment of the invention
  • FIG. 6 illustrates the performance in BER (for "Bit Error Rate” in English) obtained for a LoRa ® communication system and for a communication system implementing the method of FIG. 2 as well as the method of FIG. 4 for different receiver time synchronization error values.
  • the general principle of the invention is based on the use of a differential encoding of the information symbols to be transmitted in order to obtain modulation symbols which will effectively modulate the chirps used to generate the transmitted signal.
  • a differential encoding associated with the corresponding differential decoding on the receiver side, makes it possible to improve the performance of data estimation in the presence of synchronization errors in time and / or in frequency as well as in the presence of collisions between data frames. (intra or inter-system collisions) as detailed below.
  • the chirps are intended to be transmitted on a carrier frequency. However, they are represented in baseband by their complex envelope. Such a
  • Ts the symbol duration (also called the signaling interval for example in the g ⁇
  • the instantaneous frequency f c (t) is thus related to the angular speed of rotation in the complex plane of the vector whose coordinates are given by the in-phase and quadrature signals representing the modulating signal (ie the real and imaginary parts of the complex envelope in practice) intended to modulate the radiofrequency carrier so as to transpose the basic chirp signal to a carrier frequency.
  • the instantaneous frequency f c (t) illustrated in FIG. la is linear over time, ie varies linearly between a first instantaneous frequency, here -B / 2, and a second instantaneous frequency, here + B / 2, for the duration Ts of a symbol.
  • a chirp having a linear instantaneous frequency is for example used as a base chirp (also called chrip "raw") in the standard LoRa ®.
  • a base chirp also called chrip "raw"
  • Such a basic chirp is defined as the chirp from which are obtained the other chirps used for the transmission of information following the modulation process by the modulation symbols.
  • M orthogonal chirps must be defined so that each symbol has a specific instantaneous phase trajectory.
  • the chirp associated with the k-th symbol * 3 ⁇ 4, with Sk € ⁇ 0, ..., M— 1 ⁇ # is obtained from the base chirp by performing a circular permutation of the variation pattern of the instantaneous frequency of the basic chirp on the time symbol Ts.
  • a S & such circular permutation is obtained by a time shift Tk
  • the basic chirp here in fact corresponds to a chirp modulated by the symbol of rank 0 in the set of symbols as defined above.
  • the basic chirp has an instantaneous frequency which remains linear, but with a negative slope.
  • “-” represent the positive or negative slopes of the instantaneous frequency f c (t) of the corresponding chirp. In this case, we sometimes speak of positive chirp in the case of a positive slope or of negative chirp in the case of a negative slope.
  • a chirp having an instantaneous frequency varying in any way between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during the symbol time Ts is chosen as the basic chirp.
  • the modulation process remains the same as described above, ie via a circular permutation of the variation pattern of the instantaneous frequency over the symbol time Ts. Only, in these embodiments, any expression of the instantaneous frequency f c (t) is considered.
  • the information symbols * 3 ⁇ 4 are the symbols conveying the information as such (in encoded form (entropy coding, error correcting coding, etc.) or not).
  • the information symbols are obtained through a mapping of the information bits to the constellation symbol space.
  • the ⁇ 3 ⁇ 4 modulation symbols are the symbols used for the actual modulation of the chirps.
  • a modulation symbol given is obtained by differential encoding between, on the one hand, a modulation symbol associated with a chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps and, on the other hand, a given information symbol * 3 ⁇ 4 of the constellation of M symbols.
  • a basic chirp is modulated by the modulation symbol -3 ⁇ 4 according to the modulation method described above in relation to FIGS. 1a, FIG. lb and Fig. le (circular permutation of the pattern of variation of the instantaneous frequency of the basic chirp over the symbol time Ts) in order to deliver a k-th chirp modulated in the temporal succession of chirps.
  • the instantaneous frequency of the basic chirp varies linearly or not between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during the symbol time Ts.
  • the differential encoding implements a modulo M addition between, on the one hand, a first operand function of the modulation symbol - ⁇ fc - 1 and, on the other hand, the second operand function of the symbol information * 3 ⁇ 4 given.
  • a predetermined constellation symbol is used instead of the modulation symbol
  • the given chirp and the chirp preceding the given chirp are not adjacent in the temporal succession of chirps.
  • 3 ⁇ 4 given is obtained by differential encoding between a modulation symbol ⁇ kp with p an integer greater than 1, and an information symbol given of the constellation of M symbols, for example via a modulo M sum.
  • the terminology “chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps” covers both the case of temporally adjacent chirps and the case of temporally non-adjacent chirps.
  • additional differential encodings are further implemented.
  • Each additional differential encoding is implemented between, on the one hand, a modulation symbol ⁇ kp associated with a p-th chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps, p being an integer greater than 1, and, on the other hand, an information symbol S ki-p of ra n g
  • the additional differential encoding delivers a corresponding intermediate modulation symbol.
  • the additional differential encodings implemented for K pairs (S kp / D kp ⁇ deliver K intermediate symbols correspondents.
  • the aforementioned steps E200 and E210 are implemented iteratively for a succession of information symbols in order to generate a temporal series of modulated chirps included in the signal to be transmitted.
  • FIG. 3 an example of a device structure 300 allowing the implementation of the steps of the generation method of FIG. 2 according to one embodiment of the invention.
  • the device 300 comprises a differential encoder 310 making it possible to implement step E200.
  • the differential encoder 310 here comprises an adder 310s modulo M and a lOff flip-flop 3 (e.g. a D flip-flop) supplied with a clock signal clk at the symbol frequency 1 / Ts.
  • Flip-flop 3 lOff loops back the output of adder 310s to one of the inputs of adder 310s.
  • the device 300 also comprises a modulator 320 comprising calculation means configured to implement the modulation step E210 as described previously (according to any one of the aforementioned embodiments).
  • FIG. 3 illustrates only one particular way, among several possible, of making the device 300 so that it performs certain steps of the method for generating the signal comprising a temporal succession of modulated chirps according to the invention (according to any one of the embodiments). and / or variants described above in relation to Fig. 2).
  • these steps can be carried out either on a reprogrammable computing machine (a PC computer, a DSP processor or a microcontroller) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated computing machine (for example a set of logic gates such as an FPGA or ASIC, or any other hardware module).
  • the corresponding program (that is to say the sequence of instructions) can be stored in a removable storage medium (such as for example a floppy disk, CD-ROM or DVD-ROM) or not, this storage medium being partially or totally readable by a computer or a processor.
  • a removable storage medium such as for example a floppy disk, CD-ROM or DVD-ROM
  • the device 300 is embedded in a radio frequency transmitter (eg a transmitter implementing the LoRa ® protocol).
  • a radio frequency transmitter eg a transmitter implementing the LoRa ® protocol.
  • the estimation method implements the symmetrical steps of the generation method of FIG. 2.
  • a portion of the signal which is representative of a k-th chirp, called a given chirp, in the temporal succession of chirps received is demodulated in order to deliver an estimate -3 ⁇ 4 of a. modulation symbol associated with the given chirp.
  • step E400 implements:
  • the estimate of the modulation symbol associated with the given chirp is a function of the index of the sample with the highest amplitude among the N transformed samples. This is the principle of demodulation disclosed in patent document EP 2 449 690 B1, but applied here to the case where the modulating symbols were obtained on transmission from a differential encoding of an information symbol.
  • the estimate of the modulation symbol associated with the given chirp is obtained by implementing another demodulation method. For example, the pattern of variation of the frequency or instantaneous phase of a modulated chirp is representative of the modulation symbol that it conveys.
  • phase locked loop converge over a duration less than the symbol time can be implemented to extract the instantaneous frequency or phase of the given chirp and thus to estimate the corresponding modulation symbol.
  • a so-called zero-crossing counting algorithm making it possible to estimate the periodicity of a signal can be implemented for the same purpose.
  • Demodulation via the use of a correlator bank (demodulation in the sense of maximum likelihood) can also be implemented in certain embodiments.
  • an estimate * 3 ⁇ 4 of an information symbol (ie of a symbol more particularly conveying the information as described above) carried by the signal is obtained by differential decoding between d ' on the one hand, the estimate -3 ⁇ 4 of the modulation symbol associated with the given chirp and, on the other hand, an estimate Dk-i of a modulation symbol previously obtained by an implementation of step E400 applied to another portion of the signal representative of a chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps.
  • the differential decoding implements a modulo M difference between, on the one hand, a first operand dependent on the estimate -3 ⁇ 4 of the modulation symbol associated with the given chirp and, on the other hand, a second operand function of the estimate k— 1 of the modulation symbol obtained previously.
  • _ e ors the first implementation of the differential decoding (ie k 0), a predetermined constellation symbol is used instead of the estimate k— 1.
  • D kp ' is implemented to deliver the estimate of the information symbol, for example via a modulo M difference.
  • the rank kp (ie relative to the given chirp) of the chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps is identical for the implementation of the differential decoding and differential encoding as described above in relation to FIG. 2.
  • chirps p being an integer greater than 1
  • an estimate K ⁇ P of the modulation symbol associated with a p'-th chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps p 'being an integer greater than 1 different from p.
  • the additional differential decoding in question delivers a corresponding decoded symbol. More precisely, the indices kp and kp 'of the components of each pair of estimates on which a differential decoding is applied correspond to the indices of a corresponding pair for which an encoding differential was implemented during the generation of the temporal succession of chirps.
  • differential decoding implemented for K pairs ( ⁇ -p / kp j delivers K corresponding decoded symbols.
  • the aforementioned steps E400 and E410 are implemented iteratively for a succession of portions of the signal representative of a series of chirps in the temporal succession of chirps in order to extract a series of information symbols conveyed by the signal.
  • the information bits are obtained from the information symbols by following a reverse mapping scheme of the symbol constellation.
  • the differential decoding of the modulation symbols makes it possible to improve the performance of estimation of the data present. synchronization errors in time and / or frequency as well as in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
  • steps E400 and E410 can be shown by applying for example the processing of steps E400 and E410 according to the embodiment of FIG. 4 to a signal received in the presence or absence of synchronization error (temporal and / or frequency).
  • w (nTe) represents the complex noise assumed to be white, Gaussian and circular.
  • r p (nT e ) x p (nT e ) + w p (nT e )
  • R * 'î'l J By exploiting the periodicity of the discrete Fourier transform, R * 'î'l J can be expressed as follows:
  • WP fÎfrl J is the discrete Fourier transform of the noise term w p (nT e ).
  • the time synchronization error means that the signal processed by the discrete Fourier transform at the receiver is made up of a portion of the signal resulting from two consecutive transmitted symbols.
  • Equation [Math 23] shows, when the received signal is not perfectly synchronized, inter-symbol interference occurs. This results in a frequency shift of the maximum periodogram, leading to a symbol estimated to be biased. More precisely, the peak at the output of the discrete Fourier transform is no longer located at the frequency corresponding to the p-th symbol and it is possible that a secondary peak is present. However, remain the same for several consecutive symbols. Consequently, they lead to a systematic error which is found to be eliminated during the implementation of the differential estimation as proposed in the present application.
  • the symbols Dk modulating the chirps forming the transmitted signal are obtained by differential encoding, for example according to the following equation in the aforementioned corresponding embodiments:
  • the information symbols are estimated on reception by differential decoding of the estimates of the modulation symbols. By noting * 3 ⁇ 4 the estimate of the k-th information symbol and
  • the proposed technique is robust in the face of time and frequency synchronization errors of the receiver. Furthermore, in the event of a collision between frames (both in the case of an intra-system collision and in the case of an inter-system collision), a receiver may not be able to synchronize with the received signal due to the mixing between several signals. However, the robustness to time synchronization errors of a communication link implementing the technique described means that the performance in the event of a collision between frames is also improved.
  • FIG. 5 an example of a device structure 500 allowing the implementation of the steps of the estimation method of FIG. 4 according to one embodiment of the invention.
  • the device 500 comprises a demodulator 510 comprising calculation means configured to implement the modulation step E400 (according to any one of the aforementioned embodiments).
  • the device 500 also comprises a differential decoder 520 making it possible to implement step E410.
  • the differential decoder 520 here comprises a subtracter 520d modulo M and a flip-flop 520ff (eg a D flip-flop), supplied by a clock signal clk at the symbol frequency 1 / Ts.
  • the 520ff flip-flop delays the estimates by a clock stroke delivered by the demodulator 510.
  • FIG. 5 illustrates only one particular way, among several possible, of making the device 500 so that it performs certain steps of the method of estimating information symbols carried by a signal comprising a temporal succession of modulated chirps (according to any one embodiments and / or variants described above in relation to Fig. 4).
  • these steps can be carried out either on a reprogrammable computing machine (a PC computer, a DSP processor or a microcontroller) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated computing machine. (for example a set of logic gates such as an FPGA or an ASIC, or any other hardware module).
  • the corresponding program (that is to say the sequence of instructions) can be stored in a removable storage medium (such as for example a floppy disk, CD-ROM or DVD-ROM) or not, this storage medium being partially or totally readable by a computer or a processor.
  • a removable storage medium such as for example a floppy disk, CD-ROM or DVD-ROM
  • the device 500 is embedded in a radiofrequency receiver (eg a receiver implementing the LoRa ® protocol).
  • a radiofrequency receiver eg a receiver implementing the LoRa ® protocol.
  • the curves 601dcss and 605dcss correspond to the performances obtained on a communication link in the presence of additive white noise for a transceiver system implementing the methods of FIGS. 2 and Fig. 4, respectively for a time synchronization error value equal to 1% of Ts (601dcss curve) and to 5% of Ts (605dcss curve).
  • the 601lora and 605lora curves correspond to the performances obtained on a communication link in the presence of additive white noise for a transceiver system implementing the technique of patent EP 2 449 690 B1, respectively for the same error values.
  • time synchronization ie of 1% of Ts (curve 601lora) and of 5% of Ts (curve 605lora).
  • the technique described in the present application makes it possible to significantly improve the performance in BER of the communications link in the presence of a synchronization error.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for generating a signal comprising a succession of modulated chirps over time. The modulation corresponds to a circular permutation of the pattern of variation of the instantaneous frequency of a basic chirp over the symbol time Ts, the permutation being obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M*Tc=Ts. Such a method comprises, for the generation of a given chirp in the succession of chirps over time: - differential encoding (E200) between, on the one hand, a modulation symbol associated with a chirp preceding the given chirp in the succession of chirps over time and, on the other hand, a given information symbol of the constellation of M symbols, the differential encoding delivering a given modulation symbol; and - modulation (E210) of the basic chirp according to the given modulation symbol generating the given chirp.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : Procédé de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps, procédé d'estimation de symboles véhiculés par un tel signal, produits programme d'ordinateur et dispositifs correspondants. TITLE: Method for generating a signal comprising a temporal succession of chirps, method for estimating symbols conveyed by such a signal, computer program products and corresponding devices.
Domaine de l'invention Field of the invention
Le domaine de l'invention est celui de la transmission de données via l'utilisation d'une forme d'onde dite « chirp ». The field of the invention is that of the transmission of data via the use of a waveform called “chirp”.
L'invention se rapporte plus particulièrement à une méthode de génération et de traitement d'une telle forme d'onde qui présente des performances améliorées par rapport aux techniques existantes avec une complexité d'implémentation comparable. The invention relates more particularly to a method for generating and processing such a waveform which exhibits improved performance compared to existing techniques with comparable complexity of implementation.
Une telle forme d'onde est utilisée pour la transmission de données via des liens de communication de différentes natures, e.g. acoustique, radiofréquence, etc. Par exemple la technologie LoRa® dédiée à la transmission basse consommation par les objets connectés via un lien radiofréquence utilise une telle forme d'onde. L'invention a ainsi des applications, notamment, mais non exclusivement, dans tous les domaines de la vie personnelle et professionnelle dans lesquels les objets connectés sont présents. Il s'agit par exemple des domaines de la santé, du sport, des applications domestiques (sécurité, électroménager, etc.), suivi d'objets, etc. Such a waveform is used for data transmission via communication links of different kinds, eg acoustics, radio frequency, etc. For example, the LoRa ® technology dedicated to low consumption transmission by objects connected via a radiofrequency link uses such a waveform. The invention thus has applications, in particular, but not exclusively, in all areas of personal and professional life in which connected objects are present. These include, for example, the fields of health, sport, domestic applications (security, household appliances, etc.), object tracking, etc.
Art antérieur et ses inconvénients Prior art and its drawbacks
On s'attache plus particulièrement dans la suite de ce document à décrire une problématique existante dans le domaine des objets connectés dans lequel la technologie LoRa® est utilisée et à laquelle a été confronté l'inventeur de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, mais présente un intérêt pour la génération et le traitement de tout signal de communication basé sur l'utilisation d'une forme d'onde dite « chirp » et d'un codage des symboles à transmettre via une permutation circulaire du motif de variation de la fréquence instantanée d'un chirp de base comme détaillé dans la suite de cette demande. It focuses more particularly in the remainder of this document to describe an existing problem in the field of connected objects in which the LoRa ® technology is used and which has faced the inventor of this patent application. The invention is of course not limited to this particular field of application, but is of interest for the generation and processing of any communication signal based on the use of a waveform known as “chirp” and d. 'a coding of the symbols to be transmitted via a circular permutation of the pattern of variation of the instantaneous frequency of a basic chirp as detailed in the remainder of this application.
Présentés comme la « troisième révolution de l'Internet », les objets connectés sont en train de s'imposer dans tous les domaines de la vie quotidienne et de l'entreprise. La plupart de ces objets sont destinés à produire des données grâce à leurs capteurs intégrés afin de fournir des services à valeur ajoutée pour leur propriétaire. Presented as the "third revolution of the Internet", connected objects are in the process of establishing themselves in all areas of daily life and business. Most of these objects are intended to produce data through their integrated sensors in order to provide value-added services for their owner.
De par les applications visées, ces objets connectés sont pour la plupart nomades. En particulier, ils doivent pouvoir transmettre les données produites, régulièrement ou à la demande, à un utilisateur déporté. By virtue of the applications targeted, these connected objects are for the most part nomadic. In particular, they must be able to transmit the data produced, regularly or on demand, to a remote user.
Pour ce faire, la transmission radio longue portée du type radio mobile cellulaire (2G/3G/4G...) a été une technologie de choix. Cette technologie permettait en effet de bénéficier d'une bonne couverture réseau dans la plupart des pays. To do this, long-range radio transmission of the cellular mobile radio type (2G / 3G / 4G ...) has been a technology of choice. This technology made it possible to benefit from good network coverage in most countries.
Cependant, l'aspect nomade de ces objets s'accompagne souvent d'un besoin en autonomie d'énergie. Or, même basés sur une des technologies radio mobile cellulaire les plus économes en énergie, les objets connectés actuels continuent de présenter une consommation rédhibitoire pour permettre un déploiement à grande échelle à un coût raisonnable. However, the nomadic aspect of these objects is often accompanied by a need for energy autonomy. However, even based on one of the most energy-efficient cellular mobile radio technologies, current connected objects continue to present prohibitive consumption to allow large-scale deployment at a reasonable cost.
Face à la problématique de la consommation du lien radio pour de telles applications nomades, de nouvelles technologies radio basse consommation et bas débit dédiées spécifiquement aux réseaux « Internet des Objets », c'est-à-dire des technologies radio pour des réseaux dits LPWAN (pour « Low-Power Wide-Area Networks » en anglais), sont développées. Faced with the problem of radio link consumption for such nomadic applications, new low consumption and low speed radio technologies dedicated specifically to “Internet of Things” networks, that is to say radio technologies for so-called LPWAN networks (for "Low-Power Wide-Area Networks" in English), are developed.
En pratique, deux sortes de technologies peuvent être distinguées : In practice, two kinds of technologies can be distinguished:
d'un côté, il existe des technologies propriétaires comme par exemple la technologie de la société Sigfox®, ou bien la technologie LoRa®, ou encore la technologie de la société Qowisio®. Ces technologies non standardisées reposent toutes sur l'utilisation de la bande de fréquences « Industriel, Scientifique et Médical », dite ISM, et sur la réglementation associée à son utilisation. L'intérêt de ces technologies est qu'elles sont déjà disponibles et permettent le déploiement rapide de réseaux sur la base d'investissements limités. En outre, ils permettent le développement d'objets connectés très économes en énergie et à faible coût ; on the one hand, there are proprietary technologies such as, for example, the technology from the company Sigfox ® , or the technology LoRa ® , or the technology from the company Qowisio ® . These non-standardized technologies are all based on the use of the "Industrial, Scientific and Medical" frequency band, known as ISM, and on the regulations associated with its use. The advantage of these technologies is that they are already available and allow the rapid deployment of networks on the basis of limited investments. In addition, they allow the development of connected objects that are very energy efficient and low cost;
d'un autre côté, il existe plusieurs technologies promues par des organismes de normalisation. A titre d'exemple, on peut citer trois technologies en cours de standardisation auprès du 3GPP (pour « 3rd Génération Partnership Project » en anglais) : NB-loT (pour « Narrow Band - Internet of Things » en anglais), LTE MTC (pour « Long Term Evolution - Machine Type Communication » en anglais) et EC-GSM-loT (pour « Extended Coverage - GSM - Internet of Things » en anglais). De telles solutions reposent sur l'utilisation des bandes de fréquences licenciées. on the other hand, there are several technologies promoted by standardization bodies. By way of example, we can cite three technologies currently being standardized by the 3GPP (for “3rd Generation Partnership Project” in English): NB-loT (for “Narrow Band - Internet of Things” in English), LTE MTC ( for “Long Term Evolution - Machine Type Communication” in English) and EC-GSM-loT (for “Extended Coverage - GSM - Internet of Things” in English). Such solutions are based on the use of licensed frequency bands.
Certains opérateurs de télécommunications se sont déjà intéressés à la technologie LoRa® pour déployer leur réseau dédié aux objets connectés. Par exemple, le brevet EP 2 449 690 B1 décrit une technique de transmission de l'information, sur laquelle se base la technologie LoRa®. Some telecommunications operators have already taken an interest in LoRa ® technology to deploy their network dedicated to connected objects. For example, patent EP 2 449 690 B1 describes an information transmission technique, on which the LoRa ® technology is based.
Cependant, les premiers retours relèvent des expériences utilisateur peu satisfaisantes liées à des performances limitées du lien radio en conditions réelles. Notamment, la modulation utilisée apparaît être sensible à la synchronisation aussi bien temporelle que fréquentielle du récepteur. De même, l'accès aux ressources radio se faisant par contention dans un réseau de ce type, des collisions intra-système entre émissions de différents objets connectés vers une station de base donnée sont inévitables. Or il apparaît qu'il est délicat de gérer de telles collisions avec la modulation utilisée. Par ailleurs, l'utilisation de la bande de fréquence ISM amplifie ce phénomène via des interférences potentielles avec d'autres dispositifs radiofréquences utilisant d'autres protocoles radio dans la même bande de fréquence (collisions inter-systèmes). However, the first feedback comes from unsatisfactory user experiences linked to the limited performance of the radio link in real conditions. In particular, the modulation used appears to be sensitive to both the temporal and the frequency synchronization of the receiver. Likewise, as access to radio resources is made by contention in a network of this type, intra-system collisions between transmissions from different objects connected to a given base station are inevitable. However, it appears that it is difficult to manage such collisions with the modulation used. Furthermore, the use of the ISM frequency band amplifies this phenomenon via potential interference with other radio frequency devices using other radio protocols in the same frequency band (inter-system collisions).
Il existe ainsi un besoin pour améliorer les performances en conditions réelles d'un système de communication utilisant une modulation basée sur la permutation circulaire d'un chirp de base pour transmettre des symboles de constellation, comme par exemple dans la technologie LoRa®. Plus particulièrement, il existe un besoin d' améliorer la robustesse du lien de communication en présence d'erreurs de synchronisation en temps et/ou en fréquence. Il existe également un besoin pour améliorer la robustesse du lien de communication en présence de collisions entre trames de données (collisions intra ou inter-système). There is thus a need to improve performance in real conditions of a communication system using a modulation based on the circular permutation of a base chirp to transmit constellation of symbols, such as the LoRa ® technology. More particularly, there is a need to improve the robustness of the communication link in the presence of timing and / or frequency synchronization errors. There is also a need to improve the robustness of the communication link in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
Exposé de l'invention Disclosure of the invention
Dans un mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l. Le s-ème chirp résulte d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts. La modulation correspond, pour le symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts. Un tel procédé de génération comprend, pour la génération d'un chirp donné dans la succession temporelle de chirps : In one embodiment of the invention, there is provided a method for generating a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to Ml. The s-th chirp results from a modulation of a basic chirp of which an instantaneous frequency varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during a symbol time Ts. The modulation corresponds, for the modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts. Such a generation method comprises, for the generation of a given chirp in the temporal succession of chirps:
un encodage différentiel entre, d'une part, un symbole de modulation associé à un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, un symbole d'information donné de ladite constellation de M symboles, ledit encodage différentiel délivrant un symbole de modulation donné ; et a differential encoding between, on the one hand, a modulation symbol associated with a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, a given information symbol of said constellation of M symbols, said encoding differential delivering a given modulation symbol; and
une modulation du chirp de base en fonction du symbole de modulation donné générant le chirp donné. Ainsi, l'invention propose une solution nouvelle et inventive pour améliorer les performances en conditions réelles d'un système de communication utilisant une modulation basée sur la permutation circulaire du motif de variation de la fréquence instantanée d'un chirp de base pour transmettre des symboles de constellation. modulation of the base chirp as a function of the given modulation symbol generating the given chirp. Thus, the invention proposes a new and inventive solution for improving the performance in real conditions of a communication system using a modulation based on the circular permutation of the variation pattern of the instantaneous frequency of a basic chirp for transmitting symbols. of constellation.
Plus particulièrement, l'encodage différentiel des symboles d'information avant la modulation proprement dite des chirps permet de robustifier le lien de communication vis-à-vis des erreurs de synchronisation en temps et/ou en fréquence. De par son comportement plus robuste aux problèmes de synchronisation temporelles, le système se trouve être également plus robuste en présence de collisions entre trames de données (collisions intra ou inter-système). More particularly, the differential encoding of the information symbols before the actual modulation of the chirps makes it possible to strengthen the communication link with respect to synchronization errors in time and / or in frequency. Due to its more robust behavior to time synchronization problems, the system is also found to be more robust in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
Selon un mode de réalisation, l'encodage différentiel met en œuvre une addition modulo M entre, d'une part, un premier opérande fonction dudit symbole de modulation associé audit chirp précédant ledit chirp donné et, d'autre part, un deuxième opérande fonction dudit symbole d'information donné délivrant ledit symbole de modulation donné. According to one embodiment, the differential encoding implements a modulo M addition between, on the one hand, a first operand function of said modulation symbol associated with said chirp preceding said given chirp and, on the other hand, a second operand function of said given information symbol delivering said given modulation symbol.
Ainsi, l'implémentation est simple et robuste. Thus, the implementation is simple and robust.
Selon un mode de réalisation, l'encodage différentiel et la modulation sont mis en œuvre itérativement pour une succession de symboles d'information délivrant une suite de chirps dans ladite succession temporelle de chirps. According to one embodiment, the differential encoding and the modulation are implemented iteratively for a succession of information symbols delivering a series of chirps in said temporal succession of chirps.
Selon un mode de réalisation, lors d'une première mise en œuvre dudit encodage différentiel, un symbole de constellation prédéterminé est utilisé en lieu et place dudit symbole de modulation associé audit chirp précédant ledit chirp donné. According to one embodiment, during a first implementation of said differential encoding, a predetermined constellation symbol is used instead of said modulation symbol associated with said chirp preceding said given chirp.
Dans un mode de réalisation de l'invention, il est proposé un procédé d'estimation d'au moins un symbole d'information d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, véhiculé par un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s de ladite constellation de M symboles. Le s-ème chirp résulte d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts. La modulation correspond, pour le symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts. Un tel procédé d'estimation comprend, pour une portion dudit signal représentative d'un chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps : une démodulation de ladite portion dudit signal délivrant un estimé d'un symbole de modulation associé audit chirp donné ; et In one embodiment of the invention, there is provided a method for estimating at least one information symbol of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to M1, conveyed by a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of said constellation of M symbols. The s-th chirp results from a modulation of a basic chirp of which an instantaneous frequency varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during a symbol time Ts. The modulation corresponds, for the modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts. Such an estimation method comprises, for a portion of said signal representative of a given chirp in said temporal succession of chirps: a demodulation of said portion of said signal delivering an estimate of a modulation symbol associated with said given chirp; and
un décodage différentiel entre, d'une part, l'estimé du symbole de modulation associé audit chirp donné et, d'autre part, un estimé d'un symbole de modulation préalablement obtenu par mise en œuvre de ladite démodulation appliquée à une autre portion dudit signal représentative d'un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps, ledit décodage différentiel délivrant un symbole décodé, un estimé d'un symbole d'information véhiculé par ledit signal étant fonction dudit symbole décodé. a differential decoding between, on the one hand, the estimate of the modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, an estimate of a modulation symbol previously obtained by implementation of said demodulation applied to another portion of said signal representative of a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps, said differential decoding delivering a decoded symbol, an estimate of an information symbol conveyed by said signal being a function of said decoded symbol.
Ainsi, le décodage différentiel des symboles de modulation (les symboles de modulation résultant d'un encodage différentiel des symboles d'information à l'émission) permet d'améliorer les performances d'estimation des données en présence d'erreurs de synchronisation en temps et/ou en fréquence ainsi qu'en présence de collisions entre trames de données (collisions intra ou inter-système). Thus, the differential decoding of the modulation symbols (the modulation symbols resulting from a differential encoding of the information symbols on transmission) makes it possible to improve the performance of data estimation in the presence of time synchronization errors. and / or in frequency as well as in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
Selon un mode de réalisation, le décodage différentiel met en œuvre une différence modulo M entre, d'une part, un premier opérande fonction de l'estimé du symbole de modulation associé audit chirp donné et, d'autre part, un deuxième opérande fonction de l'estimé du symbole de modulation préalablement obtenu délivrant l'estimé du symbole d'information véhiculé par le signal. According to one embodiment, the differential decoding implements a modulo M difference between, on the one hand, a first operand dependent on the estimate of the modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, a second operand function of the estimate of the modulation symbol obtained beforehand delivering the estimate of the information symbol conveyed by the signal.
Ainsi, l'implémentation est simple et robuste. Selon un mode de réalisation, la démodulation et le décodage différentiel sont mis en œuvre itérativement pour une succession de portions du signal représentatives d'une suite de chirps dans ladite succession temporelle de chirps délivrant une suite correspondante de symboles décodés, une suite d'estimés de symboles d'information véhiculés par ledit signal étant fonction de ladite suite de symboles décodés. Thus, the implementation is simple and robust. According to one embodiment, the demodulation and the differential decoding are implemented iteratively for a succession of portions of the signal representative of a series of chirps in said temporal succession of chirps delivering a corresponding series of decoded symbols, a series of estimates. of information symbols conveyed by said signal being a function of said series of decoded symbols.
Selon un mode de réalisation, lors d'une première mise en œuvre du décodage différentiel, un symbole de constellation prédéterminé est utilisé en lieu et place de l'estimé du symbole de modulation préalablement obtenu. According to one embodiment, during a first implementation of the differential decoding, a predetermined constellation symbol is used instead of the estimate of the modulation symbol obtained beforehand.
Selon un mode de réalisation, la démodulation du signal met en œuvre : According to one embodiment, the demodulation of the signal implements:
une multiplication terme à terme entre, d'une part, N échantillons représentatifs dudit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, N échantillons représentatifs d'un chirp de référence, ladite multiplication délivrant N échantillons multipliés ; et une transformée de Fourier desdits N échantillons multipliés délivrant N échantillons transformés, a term-to-term multiplication between, on the one hand, N samples representative of said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, N samples representative of a reference chirp, said multiplication delivering N multiplied samples; and a Fourier transform of said N multiplied samples delivering N transformed samples,
ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné étant fonction d'un indice d'un échantillon de plus forte amplitude parmi lesdits N échantillons transformés. said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp being a function of an index of a sample of highest amplitude among said N transformed samples.
Selon un mode de réalisation, la fréquence instantanée du chirp de base varie linéairement entre la première fréquence instantanée et la deuxième fréquence instantanée pendant le temps symbole Ts. According to one embodiment, the instantaneous frequency of the basic chirp varies linearly between the first instantaneous frequency and the second instantaneous frequency during the symbol time Ts.
Ainsi, la technique décrite s'applique par exemple au système LoRa®. Thus, the disclosed technique is applicable for example to LoRa ® system.
L'invention concerne également un programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre d'un procédé tel que décrit précédemment, selon l'un quelconque de ses différents modes de réalisation, lorsqu'il est exécuté sur un ordinateur. The invention also relates to a computer program comprising program code instructions for implementing a method as described above, according to any one of its various embodiments, when it is executed on a computer. computer.
Dans un mode de réalisation de l'invention, il est proposé un dispositif de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps. Un tel dispositif de génération comprend une machine de calcul reprogrammable ou une machine de calcul dédiée configurée pour mettre en œuvre les étapes du procédé de génération selon l'invention (selon l'un quelconque des différents modes de réalisation précités). Ainsi, les caractéristiques et avantages de ce dispositif sont les mêmes que ceux des étapes correspondantes du procédé de génération décrit précédemment. Par conséquent, ils ne sont pas détaillés plus amplement. In one embodiment of the invention, there is provided a device for generating a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps. Such a generation device comprises a reprogrammable computing machine or a dedicated computing machine configured to implement the steps of the generation method according to the invention (according to any one of the various aforementioned embodiments). Thus, the characteristics and advantages of this device are the same as those of the corresponding steps of the generation method described above. Therefore, they are not detailed further.
Dans un mode de réalisation de l'invention, il est proposé un dispositif d'estimation d'au moins un symbole d'information d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, véhiculé par un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps. Un tel dispositif d'estimation comprend une machine de calcul reprogrammable ou une machine de calcul dédiée configurée pour mettre en œuvre les étapes du procédé d'estimation selon l'invention (selon l'un quelconque des différents modes de réalisation précités). Ainsi, les caractéristiques et avantages de ce dispositif sont les mêmes que ceux des étapes correspondantes du procédé d'estimation décrit précédemment. Par conséquent, ils ne sont pas détaillés plus amplement. In one embodiment of the invention, there is provided a device for estimating at least one information symbol of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to M1, conveyed by a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps. Such an estimation device comprises a reprogrammable computing machine or a dedicated computing machine configured to implement the steps of the estimation method according to the invention (according to any one of the various aforementioned embodiments). Thus, the characteristics and advantages of this device are the same as those of the corresponding steps of the estimation method described above. Therefore, they are not detailed further.
Liste des figures List of Figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles : Other aims, characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly on reading the following description, given by way of simple illustrative example, and not limiting, in relation to the figures, among which:
[Fig. la], [Fig. lb] et [Fig. le] illustrent la modulation d'un chirp de base via une permutation circulaire du motif de variation de sa fréquence instantanée ; [Fig. la], [Fig. lb] and [Fig. le] illustrate the modulation of a basic chirp via a circular permutation of the variation pattern of its instantaneous frequency;
[Fig. 2] représente les étapes d'un procédé de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps modulés selon un mode de réalisation de l'invention ; [Fig. 2] represents the steps of a method for generating a signal comprising a temporal succession of modulated chirps according to one embodiment of the invention;
[Fig. 3] représente un exemple de structure de dispositif permettant la mise en œuvre des étapes du procédé de génération de la Fig. 2 selon un mode de réalisation de l'invention ; [Fig. 3] represents an example of a device structure allowing the implementation of the steps of the generation method of FIG. 2 according to one embodiment of the invention;
[Fig. 4] représente les étapes d'un procédé d'estimation de symboles d'information portés par un signal tel que généré par le procédé de la Fig. 2 selon un mode de réalisation de l'invention ; [Fig. 5] représente un exemple de structure de dispositif permettant la mise en œuvre des étapes du procédé d'estimation de la Fig. 4 selon un mode de réalisation de l'invention ; [Fig. 4] represents the steps of a method of estimating information symbols carried by a signal such as generated by the method of FIG. 2 according to one embodiment of the invention; [Fig. 5] represents an example of a device structure allowing the implementation of the steps of the estimation method of FIG. 4 according to one embodiment of the invention;
[Fig. 6] illustre les performances en BER (pour « Bit Error Rate » en anglais) obtenues pour un système de communication LoRa® et pour un système de communications mettant en œuvre le procédé de la Fig. 2 ainsi que le procédé de la Fig. 4 pour différentes valeurs d'erreur de synchronisation temporelle du récepteur. [Fig. 6] illustrates the performance in BER (for "Bit Error Rate" in English) obtained for a LoRa ® communication system and for a communication system implementing the method of FIG. 2 as well as the method of FIG. 4 for different receiver time synchronization error values.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Detailed description of embodiments of the invention
Le principe général de l'invention repose sur l'utilisation d'un encodage différentiel des symboles d'information devant être transmis afin d'obtenir des symboles de modulation qui vont effectivement moduler les chirps utilisés pour générer le signal transmis. Un tel encodage différentiel, associé au décodage différentiel correspondant du côté récepteur, permet d'améliorer les performances d'estimation des données en présence d'erreurs de synchronisation en temps et/ou en fréquence ainsi qu'en présence de collisions entre trames de données (collisions intra ou inter-système) comme détaillé ci-dessous. The general principle of the invention is based on the use of a differential encoding of the information symbols to be transmitted in order to obtain modulation symbols which will effectively modulate the chirps used to generate the transmitted signal. Such a differential encoding, associated with the corresponding differential decoding on the receiver side, makes it possible to improve the performance of data estimation in the presence of synchronization errors in time and / or in frequency as well as in the presence of collisions between data frames. (intra or inter-system collisions) as detailed below.
On présente désormais, en relation avec les Fig. la, Fig. lb et Fig. le, la modulation d'un chirp de base via une permutation circulaire du motif de variation de sa fréquence instantanée. We now present, in relation to FIGS. 1a, FIG. lb and Fig. le, the modulation of a basic chirp via a circular permutation of the variation pattern of its instantaneous frequency.
Plus particulièrement, les chirps sont destinés à être transmis sur une fréquence porteuse. Cependant, ils sont représentés en bande de base par leur enveloppe complexe. Une telle More particularly, the chirps are intended to be transmitted on a carrier frequency. However, they are represented in baseband by their complex envelope. Such a
£ (Z G _ Zk Zk G £ (Z G _ Zk Zk G
enveloppe complexe s'exprime mathématiquement pour *- 2 ’ 2 L comme suit : complex envelope is expressed mathematically for * - 2 ’2 L as follows:
[Math 1] [Math 1]
avec Ts la durée symbole (également appelée intervalle de signalisation par exemple dans le g \ with Ts the symbol duration (also called the signaling interval for example in the g \
standard LoRa®), B la bande passante du signal chirp, et c ' sa phase instantanée. La fréquence instantanée fc(t) du signal chirp peut ainsi s'écrire comme suit : LoRa ® standard), B the bandwidth of the chirp signal, and c 'its instantaneous phase. The instantaneous frequency f c (t) of the chirp signal can thus be written as follows:
[Math 2] [Math 2]
La fréquence instantanée fc(t) est ainsi liée à la vitesse de rotation angulaire dans le plan complexe du vecteur dont les coordonnées sont données par les signaux en phase et en quadrature représentant le signal modulant (i.e. les parties réelle et imaginaire de l'enveloppe complexe en pratique) destiné à moduler la porteuse radiofréquence de manière à transposer le signal chirp de base sur une fréquence porteuse. The instantaneous frequency f c (t) is thus related to the angular speed of rotation in the complex plane of the vector whose coordinates are given by the in-phase and quadrature signals representing the modulating signal (ie the real and imaginary parts of the complex envelope in practice) intended to modulate the radiofrequency carrier so as to transpose the basic chirp signal to a carrier frequency.
La fréquence instantanée fc(t) illustrée sur la Fig. la est linéaire dans le temps, i.e. varie linéairement entre une première fréquence instantanée, ici -B/2, et une deuxième fréquence instantanée, ici +B/2, pendant la durée Ts d'un symbole. The instantaneous frequency f c (t) illustrated in FIG. la is linear over time, ie varies linearly between a first instantaneous frequency, here -B / 2, and a second instantaneous frequency, here + B / 2, for the duration Ts of a symbol.
Un chirp présentant une fréquence instantanée linéaire est par exemple utilisée en tant que chirp de base (également appelé chrip « brut ») dans le standard LoRa®. Un tel chirp de base est défini comme le chirp à partir duquel sont obtenus les autres chirps utilisés pour la transmission de l'information suite au processus de modulation par les symboles de modulation. A chirp having a linear instantaneous frequency is for example used as a base chirp (also called chrip "raw") in the standard LoRa ®. Such a basic chirp is defined as the chirp from which are obtained the other chirps used for the transmission of information following the modulation process by the modulation symbols.
En effet, pour distinguer les différents symboles d'une constellation de M symboles, M chirps orthogonaux doivent être définis de sorte que chaque symbole présente une trajectoire de phase instantanée spécifique. Par exemple, le chirp associé au k-ème symbole *¾, avec Sk€ {0, ..., M— 1}# est obtenu à partir du chirp de base en effectuant une permutation circulaire du motif de variation de la fréquence instantanée du chirp de base sur le temps symbole Ts. Une S& telle permutation circulaire est obtenue par un décalage temporel Tk Indeed, to distinguish the different symbols of a constellation of M symbols, M orthogonal chirps must be defined so that each symbol has a specific instantaneous phase trajectory. For example, the chirp associated with the k-th symbol * ¾, with Sk € {0, ..., M— 1} # is obtained from the base chirp by performing a circular permutation of the variation pattern of the instantaneous frequency of the basic chirp on the time symbol Ts. A S & such circular permutation is obtained by a time shift Tk
B de k fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts. De la sorte : B of k times an elementary temporal duration Te, such that M * Tc = Ts. In this way :
[Math 3] [Math 3]
M = ΰ c :/ M = ΰ c: /
On voit ainsi que le chirp de base correspond ici en fait à un chirp modulé par le symbole de rang 0 dans l'ensemble des symboles tel que défini ci-dessus. En d'autres termes, le chirp de base correspond à *¾ pour k=0. It can thus be seen that the basic chirp here in fact corresponds to a chirp modulated by the symbol of rank 0 in the set of symbols as defined above. In other words, the base chirp corresponds to * ¾ for k = 0.
Le processus de modulation est illustré plus particulièrement sur les Fig. lb et Fig. le sur r II 2ki lesquelles on voit que la partie du chirp de base en dehors de l'intervalle *· 2 5 2 J après décalage temporel est ramené cycliquement dans l'intervalle (flèche 100 sur la Fig. lb). Ainsi, le chirp modulé lié à la transmission du symbole se décompose en deux parties (Fig. le) : The modulation process is illustrated more particularly in Figs. lb and Fig. le on r II 2ki which we see that the part of the basic chirp outside the interval * 2 5 2 J after time shift is cyclically brought back into the interval (arrow 100 in Fig. lb). Thus, the modulated chirp linked to the transmission of the symbol breaks down into two parts (Fig. le):
De la sorte, la fréquence instantanée du chirp modulé associé au k-ème symbole *¾ peut s'exprimer comme suit : In this way, the instantaneous frequency of the modulated chirp associated with the k-th symbol * ¾ can be expressed as follows:
Finalement, l'enveloppe complexe du signal transmis, correspondant à la succession temporelle de chirps modulés par une suite de symboles de constellation *¾, peut s'écrire : Finally, the complex envelope of the transmitted signal, corresponding to the temporal succession of chirps modulated by a series of constellation symbols * ¾, can be written:
[Math 4] [Math 4]
1 1
avec a, b la fonction indicatrice de l'intervalle [a, b], et la fréquence instantanée du chirp modulé par le symbole ¾ transmis à l'instant k*Ts. with a, b the indicator function of the interval [a, b], and the instantaneous frequency of the chirp modulated by the symbol ¾ transmitted at the instant k * Ts.
Dans d'autres modes de réalisation, le chirp de base a une fréquence instantanée qui reste linéaire, mais avec une pente négative. In other embodiments, the basic chirp has an instantaneous frequency which remains linear, but with a negative slope.
Ainsi, de manière générale pour des chirps de base ayant une fréquence instantanée linéaire, on fc(t) = ± ί Thus, generally for basic chirps having a linear instantaneous frequency, one f c (t) = ± ί
peut exprimer la fréquence instantanée en question comme , où les signes « + » etcan express the instantaneous frequency in question as, where the signs "+" and
« - » représentent les pentes positives ou négatives de la fréquence instantanée fc(t) du chirp correspondant. On parle dans ce cas parfois de chirp positif dans le cas d'une pente positive ou de chirp négatif dans le cas d'une pente négative. “-” represent the positive or negative slopes of the instantaneous frequency f c (t) of the corresponding chirp. In this case, we sometimes speak of positive chirp in the case of a positive slope or of negative chirp in the case of a negative slope.
Dans d'autres modes de réalisation non illustrés, un chirp ayant une fréquence instantanée variant de manière quelconque entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant le temps symbole Ts est choisi comme chirp de base. Dans ces modes de réalisation, le processus de modulation reste le même que décrit ci-dessus, i.e. via une permutation circulaire du motif de variation de la fréquence instantanée sur le temps symbole Ts. Seulement, dans ces modes de réalisation, une expression quelconque de la fréquence instantanée fc(t) est considérée. On présente désormais, en relation avec la Fig. 2 les étapes d'un procédé de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps modulés. In other embodiments not illustrated, a chirp having an instantaneous frequency varying in any way between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during the symbol time Ts is chosen as the basic chirp. In these embodiments, the modulation process remains the same as described above, ie via a circular permutation of the variation pattern of the instantaneous frequency over the symbol time Ts. Only, in these embodiments, any expression of the instantaneous frequency f c (t) is considered. We now present, in relation to FIG. 2 the steps of a method for generating a signal comprising a temporal succession of modulated chirps.
Par rapport aux techniques connues dans lesquelles les symboles d'information *¾ modulent directement les chirps formant le signal transmis, un encodage différentiel leur est ici appliqué afin d'obtenir les symboles de modulation ·¾. Ici, les symboles d'information *¾ sont les symboles véhiculant l'information en tant que telle (sous forme encodée (codage entropique, codage correcteur d'erreur, etc.) ou non). Par exemple, les symboles d'information sont obtenus via un mappage des bits d'information sur l'espace des symboles de constellation. Les symboles de modulation ·¾ sont quant à eux les symboles utilisés pour la modulation proprement dite des chirps. Compared to known techniques in which the information symbols * ¾ directly modulate the chirps forming the transmitted signal, differential encoding is applied to them here in order to obtain the modulation symbols · ¾. Here, the information symbols * ¾ are the symbols conveying the information as such (in encoded form (entropy coding, error correcting coding, etc.) or not). For example, the information symbols are obtained through a mapping of the information bits to the constellation symbol space. The · ¾ modulation symbols are the symbols used for the actual modulation of the chirps.
Plus particulièrement, pour générer un chirp donné dans la succession temporelle de chirps, lors d'une étape E200, un symbole de modulation donné est obtenu par encodage différentiel entre, d'une part, un symbole de modulation associé à un chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps et, d'autre part, un symbole d'information *¾ donné de la constellation de M symboles. More particularly, to generate a given chirp in the temporal succession of chirps, during a step E200, a modulation symbol given is obtained by differential encoding between, on the one hand, a modulation symbol associated with a chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps and, on the other hand, a given information symbol * ¾ of the constellation of M symbols.
Puis, lors d'une étape E210, un chirp de base est modulé par le symbole de modulation -¾ selon le procédé de modulation décrit ci-dessus en relation avec les figures Fig. la, Fig. lb et Fig. le (permutation circulaire du motif de variation de la fréquence instantanée du chirp de base sur le temps symbole Ts) afin de délivrer un k-ème chirp modulé dans la succession temporelle de chirps. Then, during a step E210, a basic chirp is modulated by the modulation symbol -¾ according to the modulation method described above in relation to FIGS. 1a, FIG. lb and Fig. le (circular permutation of the pattern of variation of the instantaneous frequency of the basic chirp over the symbol time Ts) in order to deliver a k-th chirp modulated in the temporal succession of chirps.
L'usage d'un tel encodage différentiel des symboles d'information avant modulation des chirps proprement dite permet de robustifier le lien de communication vis-à-vis des erreurs de synchronisation en temps et/ou en fréquence comme détaillé ci-dessous en relation avec la Fig. 4. Selon les modes de réalisation considérés, la fréquence instantanée du chirp de base varie linéairement ou non entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant le temps symbole Ts. The use of such a differential encoding of the information symbols before modulation of the chirps proper makes it possible to strengthen the communication link with respect to synchronization errors in time and / or in frequency as detailed below in relation with FIG. 4. According to the embodiments considered, the instantaneous frequency of the basic chirp varies linearly or not between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency during the symbol time Ts.
Dans des modes de réalisation, l'encodage différentiel met en œuvre une addition modulo M entre, d'une part, un premier opérande fonction du symbole de modulation -^fc— 1 et, d'autre part, le deuxième opérande fonction du symbole d'information *¾ donné. Par exemple, l'encodage différentiel implémente l'équation Dk = ( Sk + Dk-i) mod for fc > 1 Lors de la première mise en œuvre de l'encodage différentiel (i.e. pour k=0), un symbole de constellation prédéterminé est utilisé en lieu et place du symbole de modulation In some embodiments, the differential encoding implements a modulo M addition between, on the one hand, a first operand function of the modulation symbol - ^ fc - 1 and, on the other hand, the second operand function of the symbol information * ¾ given. For example, differential encoding implements the equation Dk = ( Sk + D ki) mod for fc> 1 When first implementing differential encoding (ie for k = 0), a predetermined constellation symbol is used instead of the modulation symbol
Dans des modes de réalisation, le chirp donné et le chirp précédant le chirp donné ne sont pas adjacents dans la succession temporelle de chirps. En d'autres termes, le symbole de modulation In embodiments, the given chirp and the chirp preceding the given chirp are not adjacent in the temporal succession of chirps. In other words, the modulation symbol
·¾ donné est obtenu par encodage différentiel entre un symbole de modulation ^k-p avec p un entier supérieur à 1, et un symbole d'information donné de la constellation de M symboles, par exemple via une somme modulo M. Ainsi, dans la présente demande, la terminologie « chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps » couvre aussi bien le cas de chirps adjacents temporellement que le cas de chirps non adjacents temporellement. ¾ given is obtained by differential encoding between a modulation symbol ^ kp with p an integer greater than 1, and an information symbol given of the constellation of M symbols, for example via a modulo M sum. Thus, in the present application, the terminology “chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps” covers both the case of temporally adjacent chirps and the case of temporally non-adjacent chirps.
Dans des modes de réalisation, des encodages différentiels additionnels sont en outre implémentés. Chaque encodage différentiel additionnel est mis en œuvre entre, d'une part, un symbole de modulation ^k-p assocjé à un p-ème chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps, p étant un entier supérieur à 1, et, d'autre part, un symbole d'information S ki-p de ra ng |<-r'; p' étant un entier supérieur à 1 différent de p, dans une suite de symboles d'information de la constellation de M symboles. L'encodage différentiel additionnel délivre un symbole de modulation intermédiaire correspondant. Les encodages différentiels additionnels mis en œuvre pour K couples ( S k-p / D k-p^ délivrent K symboles intermédiaires correspondants. Les K symboles intermédiaires sont sommés ensemble modulo M avec le symbole obtenu dans le cas précité correspondant à un seul encodage différentiel avec p'=0, afin de délivrer le symbole de modulation -¾.Dans des modes de réalisation, les étapes précitées E200 et E210 (quel que soit leur mode de réalisation) sont mises en œuvre itérativement pour une succession de symboles d'information afin de générer une suite temporelle de chirps modulés comprise dans le signal à transmettre. In embodiments, additional differential encodings are further implemented. Each additional differential encoding is implemented between, on the one hand, a modulation symbol ^ kp associated with a p-th chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps, p being an integer greater than 1, and, on the other hand, an information symbol S ki-p of ra n g | <-r '; p 'being an integer greater than 1 other than p, in a series of information symbols of the constellation of M symbols. The additional differential encoding delivers a corresponding intermediate modulation symbol. The additional differential encodings implemented for K pairs (S kp / D kp ^ deliver K intermediate symbols correspondents. The K intermediate symbols are summed together modulo M with the symbol obtained in the aforementioned case corresponding to a single differential encoding with p '= 0, in order to deliver the modulation symbol -¾. In embodiments, the aforementioned steps E200 and E210 (whatever their embodiment) are implemented iteratively for a succession of information symbols in order to generate a temporal series of modulated chirps included in the signal to be transmitted.
On présente désormais, en relation avec la Fig. 3 un exemple de structure de dispositif 300 permettant la mise en œuvre des étapes du procédé de génération de la Fig. 2 selon un mode de réalisation de l'invention. We now present, in relation to FIG. 3 an example of a device structure 300 allowing the implementation of the steps of the generation method of FIG. 2 according to one embodiment of the invention.
Plus particulièrement, le dispositif 300 comprend un encodeur différentiel 310 permettant de mettre en œuvre l'étape E200. L'encodeur différentiel 310 comprend ici un additionneur 310s modulo M et une bascule 3 lOff (e.g. une bascule D) alimentée par un signal d'horloge clk à la fréquence symbole 1/Ts. La bascule 3 lOff reboucle la sortie de l'additionneur 310s sur une des entrées de l'additionneur 310s. More particularly, the device 300 comprises a differential encoder 310 making it possible to implement step E200. The differential encoder 310 here comprises an adder 310s modulo M and a lOff flip-flop 3 (e.g. a D flip-flop) supplied with a clock signal clk at the symbol frequency 1 / Ts. Flip-flop 3 lOff loops back the output of adder 310s to one of the inputs of adder 310s.
Le dispositif 300 comprend également un modulateur 320 comprenant des moyens de calculs configurés pour mettre en œuvre l'étape E210 de modulation telle que décrite précédemment (selon l'un quelconque des modes de réalisation précité). The device 300 also comprises a modulator 320 comprising calculation means configured to implement the modulation step E210 as described previously (according to any one of the aforementioned embodiments).
Cette Fig. 3 illustre seulement une manière particulière, parmi plusieurs possibles, de réaliser le dispositif 300 afin qu'il effectue certaines étapes du procédé de génération du signal comprenant une succession temporelle de chirps modulés selon l'invention (selon l'un quelconque des modes de réalisation et/ou variantes décrit(e)s ci-dessus en relation avec la Fig. 2). En effet, ces étapes peuvent être réalisées indifféremment sur une machine de calcul reprogrammable (un ordinateur PC, un processeur DSP ou un microcontrôleur) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel). This Fig. 3 illustrates only one particular way, among several possible, of making the device 300 so that it performs certain steps of the method for generating the signal comprising a temporal succession of modulated chirps according to the invention (according to any one of the embodiments). and / or variants described above in relation to Fig. 2). In fact, these steps can be carried out either on a reprogrammable computing machine (a PC computer, a DSP processor or a microcontroller) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated computing machine (for example a set of logic gates such as an FPGA or ASIC, or any other hardware module).
Dans le cas où le dispositif 300 est réalisé avec une machine de calcul reprogrammable, le programme correspondant (c'est-à-dire la séquence d'instructions) pourra être stocké dans un médium de stockage amovible (tel que par exemple une disquette, un CD-ROM ou un DVD-ROM) ou non, ce médium de stockage étant lisible partiellement ou totalement par un ordinateur ou un processeur. In the case where the device 300 is produced with a reprogrammable computing machine, the corresponding program (that is to say the sequence of instructions) can be stored in a removable storage medium (such as for example a floppy disk, CD-ROM or DVD-ROM) or not, this storage medium being partially or totally readable by a computer or a processor.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif 300 est embarqué dans un émetteur radiofréquence (e.g. un émetteur implémentant le protocole LoRa®). In some embodiments, the device 300 is embedded in a radio frequency transmitter (eg a transmitter implementing the LoRa ® protocol).
On présente désormais, en relation avec la Fig. 4 les étapes d'un procédé d'estimation de symboles d'information portés par un signal tel que généré par le procédé de la Fig. 2. We now present, in relation to FIG. 4 the steps of a method of estimating information symbols carried by a signal such as generated by the method of FIG. 2.
Plus particulièrement, le procédé d'estimation implémente les étapes symétriques du procédé de génération de la Fig. 2. Par exemple, lors d'une étape E400, une portion du signal qui est représentative d'un k-ème chirp, dit chirp donné, dans la succession temporelle de chirps reçue est démodulé afin de délivrer un estimé -¾ d'un symbole de modulation associé au chirp donné. Par exemple, dans certains modes de réalisation, l'étape E400 met en œuvre : More particularly, the estimation method implements the symmetrical steps of the generation method of FIG. 2. For example, during a step E400, a portion of the signal which is representative of a k-th chirp, called a given chirp, in the temporal succession of chirps received is demodulated in order to deliver an estimate -¾ of a. modulation symbol associated with the given chirp. For example, in certain embodiments, step E400 implements:
une étape E401 de multiplication terme à terme entre, d'une part, N échantillons représentatifs du chirp donné et, d'autre part, N échantillons représentatifs d'un chirp de référence (e.g. le complexe conjugué du chirp de base utilisé à l'émission pour la génération du chirp donné), la multiplication délivrant N échantillons multipliés ; et a step E401 of term-to-term multiplication between, on the one hand, N samples representative of the given chirp and, on the other hand, N samples representative of a reference chirp (eg the conjugate complex of the basic chirp used in the emission for the generation of the given chirp), the multiplication delivering N multiplied samples; and
une étape E402 de transformée de Fourier des N échantillons multipliés délivrant N échantillons transformés. a step E402 of Fourier transform of the N multiplied samples delivering N transformed samples.
Dans ces modes de réalisation, l'estimé du symbole de modulation associé au chirp donné est fonction de l'indice de l'échantillon de plus forte amplitude parmi les N échantillons transformés. Il s'agit ici du principe de démodulation divulgué dans le document de brevet EP 2 449 690 Bl, mais appliquée ici au cas où les symboles modulants ont été obtenus à l'émission à partir d'un encodage différentiel de symbole d'information. Dans d'autres modes de réalisation, l'estimé du symbole de modulation associé au chirp donné est obtenu par la mise en œuvre d'une autre méthode de démodulation. Par exemple, le motif de variation de la fréquence ou phase instantanée d'un chirp modulé est représentative du symbole de modulation qu'il véhicule. De la sorte, une boucle à verrouillage de phase convergent sur une durée inférieure au temps symbole peut être mise en œuvre pour extraire la fréquence ou phase instantanée du chirp donnée et ainsi estimer le symbole de modulation correspondant. Alternativement, un algorithme dit de comptage de passage par zéro (ou « zero-crossing » en anglais) permettant d'estimer la périodicité d'un signal peut être mis en œuvre dans le même but. Une démodulation via l'utilisation d'un banc de corrélateur (démodulation au sens du maximum de vraisemblance) peut également être mise en œuvre dans certains modes de réalisation. In these embodiments, the estimate of the modulation symbol associated with the given chirp is a function of the index of the sample with the highest amplitude among the N transformed samples. This is the principle of demodulation disclosed in patent document EP 2 449 690 B1, but applied here to the case where the modulating symbols were obtained on transmission from a differential encoding of an information symbol. In other embodiments, the estimate of the modulation symbol associated with the given chirp is obtained by implementing another demodulation method. For example, the pattern of variation of the frequency or instantaneous phase of a modulated chirp is representative of the modulation symbol that it conveys. In this way, a phase locked loop converge over a duration less than the symbol time can be implemented to extract the instantaneous frequency or phase of the given chirp and thus to estimate the corresponding modulation symbol. Alternatively, a so-called zero-crossing counting algorithm making it possible to estimate the periodicity of a signal can be implemented for the same purpose. Demodulation via the use of a correlator bank (demodulation in the sense of maximum likelihood) can also be implemented in certain embodiments.
De retour à la Fig. 4, lors d'une étape E410, un estimé *¾ d'un symbole d'information (i.e. d'un symbole véhiculant plus particulièrement l'information comme décrit ci-dessus) véhiculé par le signal est obtenu par décodage différentiel entre d'une part, l'estimé -¾ du symbole de modulation associé au chirp donné et, d'autre part, un estimé Dk—i d'un symbole de modulation préalablement obtenu par une mise en œuvre de l'étape E400 appliquée à une autre portion du signal représentative d'un chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps. Returning to Fig. 4, during a step E410, an estimate * ¾ of an information symbol (ie of a symbol more particularly conveying the information as described above) carried by the signal is obtained by differential decoding between d ' on the one hand, the estimate -¾ of the modulation symbol associated with the given chirp and, on the other hand, an estimate Dk-i of a modulation symbol previously obtained by an implementation of step E400 applied to another portion of the signal representative of a chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps.
Dans des modes de réalisation, le décodage différentiel met en œuvre une différence modulo M entre, d'une part, un premier opérande fonction de l'estimé -¾ du symbole de modulation associé au chirp donné et, d'autre part, un deuxième opérande fonction de l'estimé k— 1 du symbole de modulation préalablement obtenu. Par exemple, le décodage différentiel implémente l'équation *¾ =~~ -¾-l mod M |_ors e la première mise en œuvre du décodage différentiel (i.e. pour k=0), un symbole de constellation prédéterminé est utilisé en lieu et place de l'estimé k— 1. In some embodiments, the differential decoding implements a modulo M difference between, on the one hand, a first operand dependent on the estimate -¾ of the modulation symbol associated with the given chirp and, on the other hand, a second operand function of the estimate k— 1 of the modulation symbol obtained previously. For example, the differential decoding implements the equation * = ¾ -¾ ~~ -¾-l mod M | _ e ors the first implementation of the differential decoding (ie k = 0), a predetermined constellation symbol is used instead of the estimate k— 1.
Dans les modes de réalisation précités en relation avec la Fig. 2 dans lesquels le symbole de modulation Dk est obtenu par encodage différentiel entre un symbole de modulation D P , avec p un entier supérieur à 1, et un symbole d'information donné de la constellation de M symboles, un décodage différentiel entre l'estimé Dk et un estimé du symbole de modulation véhiculé par le p-ème chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps, i.e.In the aforementioned embodiments in relation to FIG. 2 in which the modulation symbol Dk is obtained by differential encoding between a modulation symbol DP, with p an integer greater than 1, and an information symbol given of the constellation of M symbols, a differential decoding between the estimate Dk and an estimate of the modulation symbol conveyed by the p-th chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps, ie
D k-p ' est m j s en œuvre pour délivrer l'estimé du symbole d'information, par exemple via une différence modulo M. Dans ces modes de réalisation, le rang k-p (i.e. relativement au chirp donné) du chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps est identique pour la mise en œuvre du décodage différentiel et de l'encodage différentiel tel que décrit ci- dessus en relation avec le Fig. 2. D kp ' is implemented to deliver the estimate of the information symbol, for example via a modulo M difference. In these embodiments, the rank kp (ie relative to the given chirp) of the chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps is identical for the implementation of the differential decoding and differential encoding as described above in relation to FIG. 2.
De même, dans les modes précités en relation avec la Fig. 2 dans lesquels des encodages différentiels additionnels sont en outre implémentés, des décodages différentiels additionnels correspondant sont également mis en œuvre entre d'une part, un estimé^ k-p du symbole de modulation associé à un p-ème chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de Likewise, in the aforementioned modes in relation to FIG. 2 in which additional differential encodings are further implemented, corresponding additional differential decodings are also implemented between, on the one hand, an estimate ^ kp of the modulation symbol associated with a p-th chirp preceding the given chirp in the succession temporal of
Dk ’ Dk ’
chirps, p étant un entier supérieur à 1, et, d'autre part, un estimé K~P du symbole de modulation associé à un p'-ème chirp précédant le chirp donné dans la succession temporelle de chirps, p' étant un entier supérieur à 1 différent de p. Le décodage différentiel additionnel en question délivre un symbole décodé correspondant. Plus précisément, les indices k-p et k-p' des composantes de chaque couple d'estimés sur lequel un décodage différentiel est appliqué correspondent aux indices d'un couple correspondant pour lequel un encodage différentiel a été mis en œuvre lors de la génération de la succession temporelle de chirps. Un tel chirps, p being an integer greater than 1, and, on the other hand, an estimate K ~ P of the modulation symbol associated with a p'-th chirp preceding the given chirp in the temporal succession of chirps, p 'being an integer greater than 1 different from p. The additional differential decoding in question delivers a corresponding decoded symbol. More precisely, the indices kp and kp 'of the components of each pair of estimates on which a differential decoding is applied correspond to the indices of a corresponding pair for which an encoding differential was implemented during the generation of the temporal succession of chirps. Such
JJ A DD A
décodage différentiel mis en œuvre pour K couples ( ^-p / k-p j délivre K symboles décodés correspondants. Les K symboles décodés en question sont sommés ensemble modulo M avec le symbole décodé obtenu dans le cas précité correspondant à un seul décodage différentiel avec p'=0, afin de délivrer l symbole d'information. differential decoding implemented for K pairs (^ -p / kp j delivers K corresponding decoded symbols. The K decoded symbols in question are summed together modulo M with the decoded symbol obtained in the aforementioned case corresponding to a single differential decoding with p ' = 0, in order to deliver l information symbol.
Dans des modes de réalisation, les étapes précitées E400 et E410 (quel que soit leur mode de réalisation) sont mises en œuvre itérativement pour une succession de portions du signal représentatives d'une suite de chirps dans la succession temporelle de chirps afin d'extraire une suite de symboles d'information véhiculés par le signal. In some embodiments, the aforementioned steps E400 and E410 (whatever their embodiment) are implemented iteratively for a succession of portions of the signal representative of a series of chirps in the temporal succession of chirps in order to extract a series of information symbols conveyed by the signal.
Dans des modes de réalisation, les bits d'information sont obtenus à partir des symboles d'informations en suivant un plan de mappage inverse de la constellation de symboles. In embodiments, the information bits are obtained from the information symbols by following a reverse mapping scheme of the symbol constellation.
Quel que soit le mode de réalisation précité considéré, le décodage différentiel des symboles de modulation (symboles de modulation résultant d'un encodage différentiel des symboles d'information à l'émission) permet d'améliorer les performances d'estimation des données en présence d'erreurs de synchronisation en temps et/ou en fréquence ainsi qu'en présence de collisions entre trames de données (collisions intra ou inter-système). Whatever the aforementioned embodiment considered, the differential decoding of the modulation symbols (modulation symbols resulting from a differential encoding of the information symbols on transmission) makes it possible to improve the performance of estimation of the data present. synchronization errors in time and / or frequency as well as in the presence of collisions between data frames (intra or inter-system collisions).
Ceci peut être montré en appliquant par exemple les traitements des étapes E400 et E410 selon le mode de réalisation de la Fig. 4 à un signal reçu en présence ou non d'erreur de synchronisation (temporelle et/ou fréquentielle). This can be shown by applying for example the processing of steps E400 and E410 according to the embodiment of FIG. 4 to a signal received in the presence or absence of synchronization error (temporal and / or frequency).
En effet, dans le cas d'une synchronisation temporelle et fréquentielle idéale du récepteur, les échantillons du signal reçu, y(t), échantillonné avec une période d'échantillonnage Te, peuvent s'écrire : Indeed, in the case of an ideal temporal and frequency synchronization of the receiver, the samples of the received signal, y (t), sampled with a sampling period Te, can be written:
[Math 5] [Math 5]
y(nTe ) = s(nTe) + w(nTe) y (nTe) = s (nT e ) + w (nTe)
où w(nTe) représente le bruit complexe supposé blanc, gaussien et circulaire. where w (nTe) represents the complex noise assumed to be white, Gaussian and circular.
Les symboles transmis sont ici détectés en multipliant chaque portion de durée Ts de l'enveloppe complexe du signal reçu par la version conjuguée du chirp de base utilisé au niveau de l'émetteur. Si l'on admet que le canal de propagation n'introduit pas d'interférences entre chirps (ou si un intervalle de garde entre chirps a été introduit au niveau de l'émetteur), la démodulation du p- ème symbole transmis correspond au traitement des N=Ts/Te échantillons s'exprimant comme : The symbols transmitted are detected here by multiplying each portion of duration Ts of the complex envelope of the signal received by the conjugated version of the basic chirp used at the level of the transmitter. If it is assumed that the propagation channel does not introduce interference between chirps (or if a guard interval between chirps has been introduced at the level of the transmitter), the demodulation of the p- th symbol transmitted corre spond to the treatment of N = Ts / Te samples expressed as:
[Math [Math
rp(nTe) = y(nTe + r p (nT e ) = y (nT e +
P Ç |[_ü K_n P Ç | [ _ü K_n
avec II 2 5 2 H. Ainsi, dans cet intervalle, tous les termes de la somme de l'équation [Math 4] sont nuis, à l'exception du terme k=p. Ainsi : with II 2 5 2 H. Thus, in this interval, all the terms of the sum of the equation [Math 4] are harmful, except for the term k = p. So :
[Math 7] [Math 7]
Par ailleurs, en substituant l'équation [Math 7] dans l'équation [Math 6], on obtient : Furthermore, by substituting the equation [Math 7] in the equation [Math 6], we obtain:
[Math 8] [Math 8]
rp(nTe) = xp(nTe) + wp(nTe) r p (nT e ) = x p (nT e ) + w p (nT e )
où le signal utile est égal à : where the useful signal is equal to:
[Math 9] [Math 9]
et où le terme correspondant au bruit s'exprime comme : and where the term corresponding to the noise is expressed as:
[Math [Math
wp(nTe) = w(nTe en multipliant les deux termes de l'équation [Math 9], les arguments s'expriment comme : w p (nT e ) = w (nT e by multiplying the two terms of the equation [Math 9], the arguments are expressed as:
De plus, en échantillonnant le signal avec une période d'échantillonnage Te=l/B, on obtient en utilisant l'équation [Math 3] : Moreover, by sampling the signal with a sampling period Te = l / B, we obtain using the equation [Math 3]:
[Math 11] [Math 11]
rp(nTe)r p (nT e )
Il est à noter que ce choix de fréquence d'échantillonnage induit M=N. En effet, «> est la somme d'une part d'une exponentielle complexe ayant une fréquence normalisée égale à Sp/ N et d'autre part d'un bruit gaussien. L'estimation optimale de Sp, et donc la détection du symbole associé, peuvent ainsi être effectuées en recherchant le maximum du périodogramme de rP(nTe )_ It should be noted that this choice of sampling frequency induces M = N. Indeed, “> is the sum on the one hand of a complex exponential having a normalized frequency equal to Sp / N and on the other hand of a Gaussian noise. The optimal estimation of Sp, and therefore the detection of the associated symbol, can thus be carried out by finding the maximum of the periodogram of r P (nT e ) _
En se basant sur la solution de démodulation proposée dans le brevet EP 2 449 690 Bl, la transformée de Fourier discrète à une fréquence k/N des N échantillons de T p (tiT e- ^ ' , notéeBased on the demodulation solution proposed in patent EP 2 449 690 B1, the discrete Fourier transform at a frequency k / N of the N samples of T p (tiT e - ^ ', denoted
_Rp [fr_Rp [fr
comme suit : as following :
[Math 12] [Math 12]
En exploitant la périodicité de la transformée de Fourier discrète, R *'î’l J peut être exprimé comme suit : By exploiting the periodicity of the discrete Fourier transform, R * 'î'l J can be expressed as follows:
[Math 13] [Math 13]
Rp[k] = Rp[k— N] = VNÔ(k + SP— N) + Wp[k] où W P fÎfrl J est la transformée de Fourier discrète du terme de bruit wp(nTe ) . Il apparaît ainsi que R p [k] = R p [k— N] = VNÔ (k + S P - N) + W p [k] where WP fÎfrl J is the discrete Fourier transform of the noise term w p (nT e ). It thus appears that
5, est blanc, gaussien et avec la même variance que wp( -^e) . Une estimation p P est alors donnée par : 5, is white, Gaussian and with the same variance as wp (- ^ e ). An estimate p P is then given by:
[Math 14] [Math 14]
S p, N— argmax S p, N - argmax
feelo,/v-i feelo, / vi
Dans le cas où la synchronisation temporelle et fréquentielle du récepteur n'est pas idéale, le signal reçu en bande de base, y(t), s'exprime comme : In the case where the time and frequency synchronization of the receiver is not ideal, the signal received in baseband, y (t), is expressed as:
[Math 15] [Math 15]
y(t) = s(t ÔT)ej27rôft + w(t ) y (t) = s (t ÔT) e j27rôft + w (t)
avec l'erreur de synchronisation temporelle et l'erreur de synchronisation fréquentielle. Appliquons à nouveau les étapes précitées de démodulation et décodage au p-ème chirp reçu. L'erreur de synchronisation temporelle signifie que le signal traité par la transformée de Fourier discrète au niveau du récepteur est composée d'une portion de signal issu de deux symboles consécutifs transmis. Pour formaliser ce phénomène, définissons Sp(t) comme égal à : with the time synchronization error and the frequency synchronization error. Let us apply the aforementioned demodulation and decoding steps again to the p-th chirp received. The time synchronization error means that the signal processed by the discrete Fourier transform at the receiver is made up of a portion of the signal resulting from two consecutive transmitted symbols. To formalize this phenomenon, let us define Sp (t) as equal to:
[Math 16] Dans le cas où échantillons de y(t) correspondant au p-ème symbole, i.e. yP(t + pTs) ' peuvent S'écri re pou r t e [ 2 > 2 [ comme : [Math 16] In the case where samples of y (t) corresponding to the p-th symbol, ie y P (t + pT s ) ' can be written for [ 2> 2 [like:
[Math 17] [Math 17]
(sp_i(i + TS - d t) + Sp(t - dt )) ej2ir<5^i + w(t + pTs) i s n ¾ ίί + rG ) - G _ G (s p _i (i + T S - dt) + Sp (t - dt)) e j2ir <5 ^ i + w (t + pT s ) isn ¾ ίί + rG) - G _ G
De même, dans le cas où QT ^ R\ * a> s'exprime pour c L 2’ 2 L comme : Similarly, in the case where QT ^ R \ * a > is expressed for c L 2 '2 L as:
[Math 18] [Math 18]
représente l'échantillonnage de aux instants multiples de Te=l/B, avec n le facteur represents the sampling of at times multiple of Te = l / B, with n the factor
P ç [f_ _ l j| P ç [f_ _ lj |
multiplicatif tel que c U· 2’ 2 JJ) est tout d'abord multiplié par la version conjuguée du chirp de base utilisé au niveau de l'émetteur pour donner tr{h^) Enfin, u ne transformée de Fourier discrète est appliquée pour la détection de symbole. Après manipulation algébrique, on obtient : U multiplicative such that c · 2 '2 DD) is first multiplied by the conjugate version of the basic chirp used at the transmitter to give t r ^ {h) Finally, u discrete Fourier transform is applied for symbol detection. After algebraic manipulation, we obtain:
[Math 19] [Math 19]
deux arguments constants, qui n'ont pas d'impact sur l'estimation de symbole. two constant arguments, which have no impact on the symbol estimate.
T T
Ainsi, P (nT ^ Thus, P (nT ^
e) est composé de trois termes : e ) is composed of three terms:
1) Une contribution au (p-l)-ème chirp transmis pendant l'intervalle de temps P’ L^r-®-l ) : 1) A contribution to the (pl) -th chirp transmitted during the time interval P 'L ^ r -®-l):
[Math 21] [Math 21]
2) Une contribution au p-ème chirp transmis pendant l'intervalle de temps 2) A contribution to the p-th chirp transmitted during the time interval
[[dtB\ , N - 1] . [[dtB \, N - 1].
[Math 22] [Math 22]
3) Un terme de bruit correspondant à celui donné par l'équation [Math 10]. 3) A noise term corresponding to that given by the equation [Math 10].
T T
, il apparaît que P (nT ^ , it appears that P (nT ^
Ainsi eJ peut s'exprimer comme suit : Thus eJ can be expressed as follows:
[Math 23] [Math 23]
On peut remarquer que l'équation [Math 23] se réduit à l'équation [Math 11] dans le cas d'une synchronisation temporelle et fréquentielle parfaite, i.e. quand = 0. We can notice that the equation [Math 23] reduces to the equation [Math 11] in the case of a perfect time and frequency synchronization, ie when = 0.
Comme le montre l'équation [Math 23], lorsque le signal reçu n'est pas parfaitement synchronisé, une interférence entre symboles se produit. Il en résulte un décalage de fréquence du maximum du périodogramme, conduisant à un symbole estimé biaisé. Plus précisément, le pic en sortie de transformée de Fourier discrète n'est plus situé à la fréquence correspondant au p-ème symbole et il est possible qu'un pic secondaire soit présent. Cependant, restent les mêmes pour plusieurs symboles consécutifs. En conséquence, ils entraînent une erreur systématique qui se trouve être supprimée lors de la mise en œuvre de l'estimation différentielle telle que proposée dans la présente demande. As equation [Math 23] shows, when the received signal is not perfectly synchronized, inter-symbol interference occurs. This results in a frequency shift of the maximum periodogram, leading to a symbol estimated to be biased. More precisely, the peak at the output of the discrete Fourier transform is no longer located at the frequency corresponding to the p-th symbol and it is possible that a secondary peak is present. However, remain the same for several consecutive symbols. Consequently, they lead to a systematic error which is found to be eliminated during the implementation of the differential estimation as proposed in the present application.
Plus particulièrement, comme décrit ci-dessus en relation avec la Fig. 2, les symboles Dk modulant les chirps formant le signal transmis sont obtenus par encodage différentiel, par exemple selon l'équation suivante dans les modes de réalisation précités correspondants : More particularly, as described above in relation to FIG. 2, the symbols Dk modulating the chirps forming the transmitted signal are obtained by differential encoding, for example according to the following equation in the aforementioned corresponding embodiments:
[Math 24] [Math 24]
Dk = ( Sk + Dk- 1) mod M for k > 1 Dk = (S k + D k - 1) mod M for k> 1
avec k un k-ème symbole d'information appartenant à la constellation de M symboles. De même, les symboles d'information sont estimés en réception par décodage différentiel des estimés des symboles de modulation. En notant *¾ l'estimé du k-ème symbole d'information etwith k a k-th information symbol belonging to the constellation of M symbols. Likewise, the information symbols are estimated on reception by differential decoding of the estimates of the modulation symbols. By noting * ¾ the estimate of the k-th information symbol and
Dk l'estimé du k-ème symbole modulant, les estimés *¾ sont obtenus par exemple selon l'équation dans les modes de réalisation précités correspondants : Dk the estimate of the k-th modulating symbol, the estimates * ¾ are obtained for example according to the equation in the aforementioned corresponding embodiments:
[Math 25] [Math 25]
êk = Dk - Dk-1 mod M ê k = D k - D k-1 mod M
Sur la base de l'équation [Math 25], on observe que s'il existe un biais dans l'estimation selon l'équation [Math 14], il se trouve être supprimé par le traitement différentiel proposé. En effet, le On the basis of the equation [Math 25], it is observed that if there is a bias in the estimation according to the equation [Math 14], it is found to be removed by the proposed differential treatment. Indeed, the
( +SfTe) (+ SfT e )
traitement proposé via l'équation [Math 25] supprime les termes ' 3 ' dans les équations [Math 21] et [Math 22]. treatment offered via equation [Math 25] removes the terms ' 3 ' in equations [Math 21] and [Math 22].
De la sorte, la technique proposée est robuste face aux erreurs de synchronisation temporelle et fréquentielle du récepteur. Par ailleurs, en cas de collision entre trames (aussi bien dans le cas d'une collision intra-système que dans le cas d'une collision inter-système), un récepteur peut ne pas arriver à se synchroniser sur le signal reçu du fait du mélange entre plusieurs signaux. Or, la robustesse aux erreurs de synchronisation temporelle d'un lien de communication implémentant la technique décrite fait que les performances en cas de collision entre trames sont également améliorées. In this way, the proposed technique is robust in the face of time and frequency synchronization errors of the receiver. Furthermore, in the event of a collision between frames (both in the case of an intra-system collision and in the case of an inter-system collision), a receiver may not be able to synchronize with the received signal due to the mixing between several signals. However, the robustness to time synchronization errors of a communication link implementing the technique described means that the performance in the event of a collision between frames is also improved.
On présente désormais, en relation avec la Fig. 5 un exemple de structure de dispositif 500 permettant la mise en œuvre des étapes du procédé d'estimation de la Fig. 4 selon un mode de réalisation de l'invention. We now present, in relation to FIG. 5 an example of a device structure 500 allowing the implementation of the steps of the estimation method of FIG. 4 according to one embodiment of the invention.
Plus particulièrement, le dispositif 500 comprend un démodulateur 510 comprenant des moyens de calculs configurés pour mettre en œuvre l'étape E400 de modulation (selon l'un quelconque des modes de réalisation précités). More particularly, the device 500 comprises a demodulator 510 comprising calculation means configured to implement the modulation step E400 (according to any one of the aforementioned embodiments).
Le dispositif 500 comprend également un décodeur différentiel 520 permettant de mettre en œuvre l'étape E410. Le décodeur différentiel 520 comprend ici un soustracteur 520d modulo M et une bascule 520ff (e.g une bascule D), alimentée par un signal d'horloge clk à la fréquence symbole 1/Ts. La bascule 520ff retarde d'un coup d'horloge clk les estimés délivrés par le démodulateur 510. The device 500 also comprises a differential decoder 520 making it possible to implement step E410. The differential decoder 520 here comprises a subtracter 520d modulo M and a flip-flop 520ff (eg a D flip-flop), supplied by a clock signal clk at the symbol frequency 1 / Ts. The 520ff flip-flop delays the estimates by a clock stroke delivered by the demodulator 510.
Cette Fig. 5 illustre seulement une manière particulière, parmi plusieurs possibles, de réaliser le dispositif 500 afin qu'il effectue certaines étapes du procédé d'estimation de symboles d'information portés par un signal comprenant une succession temporelle de chirps modulés (selon l'un quelconque des modes de réalisation et/ou variantes décrit(e)s ci-dessus en relation avec la Fig. 4). En effet, ces étapes peuvent être réalisées indifféremment sur une machine de calcul reprogrammable (un ordinateur PC, un processeur DSP ou un microcontrôleur) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel). This Fig. 5 illustrates only one particular way, among several possible, of making the device 500 so that it performs certain steps of the method of estimating information symbols carried by a signal comprising a temporal succession of modulated chirps (according to any one embodiments and / or variants described above in relation to Fig. 4). In fact, these steps can be carried out either on a reprogrammable computing machine (a PC computer, a DSP processor or a microcontroller) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated computing machine. (for example a set of logic gates such as an FPGA or an ASIC, or any other hardware module).
Dans le cas où le dispositif 500 est réalisé avec une machine de calcul reprogrammable, le programme correspondant (c'est-à-dire la séquence d'instructions) pourra être stocké dans un médium de stockage amovible (tel que par exemple une disquette, un CD-ROM ou un DVD-ROM) ou non, ce médium de stockage étant lisible partiellement ou totalement par un ordinateur ou un processeur. In the case where the device 500 is produced with a reprogrammable computing machine, the corresponding program (that is to say the sequence of instructions) can be stored in a removable storage medium (such as for example a floppy disk, CD-ROM or DVD-ROM) or not, this storage medium being partially or totally readable by a computer or a processor.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif 500 est embarqué dans un récepteur radiofréquence (e.g. un récepteur implémentant le protocole LoRa®). In certain embodiments, the device 500 is embedded in a radiofrequency receiver (eg a receiver implementing the LoRa ® protocol).
On présente désormais, en relation avec la Fig. 6, des performances obtenues par simulation pour un système de communication LoRa® et pour un système de communications mettant en œuvre les procédés de la Fig. 2 et de la Fig. 4 pour différentes valeurs d'erreur de synchronisation du récepteur. We now present, in relation to FIG. 6, performance obtained by simulation for a communication system LoRa ® and a communications system implementing the processes of FIG. 2 and FIG. 4 for different receiver sync error values.
Plus particulièrement, les courbes 601dcss et 605dcss correspondent aux performances obtenues sur un lien de communication en présence de bruit blanc additif pour un système d'émetteur- récepteur implémentant les procédés des Fig. 2 et Fig. 4, respectivement pour une valeur d'erreur de synchronisation temporelle égale à 1% de Ts (courbe 601dcss) et à 5% de Ts (courbe 605dcss). More particularly, the curves 601dcss and 605dcss correspond to the performances obtained on a communication link in the presence of additive white noise for a transceiver system implementing the methods of FIGS. 2 and Fig. 4, respectively for a time synchronization error value equal to 1% of Ts (601dcss curve) and to 5% of Ts (605dcss curve).
De même, les courbes 601lora et 605lora correspondent aux performances obtenues sur un lien de communication en présence de bruit blanc additif pour un système d'émetteur-récepteur implémentant la technique du brevet EP 2 449 690 Bl, respectivement pour les mêmes valeurs d'erreur de synchronisation temporelle, i.e. de 1% de Ts (courbe 601lora) et de 5% de Ts (courbe 605lora). Likewise, the 601lora and 605lora curves correspond to the performances obtained on a communication link in the presence of additive white noise for a transceiver system implementing the technique of patent EP 2 449 690 B1, respectively for the same error values. time synchronization, ie of 1% of Ts (curve 601lora) and of 5% of Ts (curve 605lora).
Ainsi, la technique décrite dans la présente demande permet d'améliorer sensiblement les performances en BER du lien de communications en présence d'erreur de synchronisation. Thus, the technique described in the present application makes it possible to significantly improve the performance in BER of the communications link in the presence of a synchronization error.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, 1. Method for generating a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to Ml,
ledit s-ème chirp résultant d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts, said s-th chirp resulting from a modulation of a basic chirp, an instantaneous frequency of which varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency for a symbol time Ts,
ladite modulation correspondant, pour ledit symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts, said modulation corresponding, for said modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts,
caractérisé en ce qu'il comprend, pour la génération d'un chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps : characterized in that it comprises, for the generation of a given chirp in said temporal succession of chirps:
- un encodage différentiel (E200) entre, d'une part, un symbole de modulation associé à un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, un symbole d'information donné de ladite constellation de M symboles, ledit encodage différentiel délivrant un symbole de modulation donné ; et a differential encoding (E200) between, on the one hand, a modulation symbol associated with a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, a given information symbol of said constellation of M symbols, said differential encoding delivering a given modulation symbol; and
- une modulation (E210) dudit chirp de base en fonction dudit symbole de modulation donné générant ledit chirp donné - a modulation (E210) of said basic chirp as a function of said given modulation symbol generating said given chirp
ledit encodage différentiel et ladite modulation étant mis en œuvre itérativement pour une succession de symboles d'information délivrant une suite de chirps dans ladite succession temporelle de chirps. said differential encoding and said modulation being implemented iteratively for a succession of information symbols delivering a series of chirps in said temporal succession of chirps.
2. Procédé de génération selon la revendication 1 dans lequel ledit encodage différentiel met en œuvre une addition modulo M entre, d'une part, un premier opérande fonction dudit symbole de modulation associé audit chirp précédant ledit chirp donné et, d'autre part, un deuxième opérande fonction dudit symbole d'information donné délivrant ledit symbole de modulation donné. 2. Generation method according to claim 1 wherein said differential encoding implements a modulo M addition between, on the one hand, a first operand function of said modulation symbol associated with said chirp preceding said given chirp and, on the other hand, a second operand function of said given information symbol delivering said given modulation symbol.
3. Procédé d'estimation d'au moins un symbole d'information d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, véhiculé par un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s de ladite constellation de M symboles, 3. Method of estimating at least one information symbol of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to M1, conveyed by a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of said constellation of M symbols,
ledit s-ème chirp résultant d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts, said s-th chirp resulting from a modulation of a basic chirp, an instantaneous frequency of which varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency for a symbol time Ts,
ladite modulation correspondant, pour ledit symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts, said modulation corresponding, for said modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts,
caractérisé en ce qu'il comprend, pour une portion dudit signal représentative d'un chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps : characterized in that it comprises, for a portion of said signal representative of a given chirp in said temporal succession of chirps:
- une démodulation de ladite portion dudit signal délivrant un estimé d'un symbole de modulation associé audit chirp donné ; et a demodulation of said portion of said signal delivering an estimate of a modulation symbol associated with said given chirp; and
- un décodage différentiel entre, d'une part, ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné et, d'autre part, un estimé d'un symbole de modulation préalablement obtenu par mise en œuvre de ladite démodulation appliquée à une autre portion dudit signal représentative d'un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps, ledit décodage différentiel délivrant un symbole décodé, un estimé d'un symbole d'information véhiculé par ledit signal étant fonction dudit symbole décodé, ladite démodulation et ledit décodage différentiel étant mis en œuvre itérativement pour une succession de portions dudit signal représentatives d'une suite de chirps dans ladite succession temporelle de chirps délivrant une suite correspondante de symboles décodés, une suite d'estimés de symboles d'information véhiculés par ledit signal étant fonction de ladite suite de symboles décodés. a differential decoding between, on the one hand, said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, an estimate of a modulation symbol obtained beforehand by implementing said demodulation applied to another portion of said signal representative of a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps, said differential decoding delivering a decoded symbol, an estimate of an information symbol conveyed by said signal being a function of said decoded symbol, said demodulation and said differential decoding being implemented iteratively for a succession of portions of said signal representative of a series of chirps in said temporal succession of chirps delivering a corresponding series of decoded symbols, a series of estimates of information symbols conveyed by said signal being a function of said series of decoded symbols.
4. Procédé d'estimation d'au moins un symbole d'information d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, véhiculé par un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s de ladite constellation de M symboles, 4. Method for estimating at least one information symbol of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to M1, conveyed by a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of said constellation of M symbols,
ledit s-ème chirp résultant d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts, said s-th chirp resulting from a modulation of a basic chirp, an instantaneous frequency of which varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency for a symbol time Ts,
ladite modulation correspondant, pour ledit symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts, said modulation corresponding, for said modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts,
caractérisé en ce qu'il comprend, pour une portion dudit signal représentative d'un chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps : characterized in that it comprises, for a portion of said signal representative of a given chirp in said temporal succession of chirps:
- une démodulation de ladite portion dudit signal délivrant un estimé d'un symbole de modulation associé audit chirp donné comprenant : a demodulation of said portion of said signal delivering an estimate of a modulation symbol associated with said given chirp comprising:
- une multiplication terme à terme entre, d'une part, N échantillons représentatifs dudit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, N échantillons représentatifs d'un chirp de référence, ladite multiplication délivrant N échantillons multipliés ; et a term-to-term multiplication between, on the one hand, N samples representative of said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, N samples representative of a reference chirp, said multiplication delivering N multiplied samples; and
- une transformée de Fourier desdits N échantillons multipliés délivrant N échantillons transformés, - a Fourier transform of said N multiplied samples delivering N transformed samples,
ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné étant fonction d'un indice d'un échantillon de plus forte amplitude parmi lesdits N échantillons transformés ; et said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp being a function of an index of a sample of highest amplitude among said N transformed samples; and
- un décodage différentiel entre, d'une part, ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné et, d'autre part, un estimé d'un symbole de modulation préalablement obtenu par mise en œuvre de ladite démodulation appliquée à une autre portion dudit signal représentative d'un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps, ledit décodage différentiel délivrant un symbole décodé, un estimé d'un symbole d'information véhiculé par ledit signal étant fonction dudit symbole décodé. a differential decoding between, on the one hand, said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, an estimate of a modulation symbol obtained beforehand by implementing said demodulation applied to another portion of said signal representative of a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps, said differential decoding delivering a decoded symbol, an estimate of an information symbol conveyed by said signal being a function of said decoded symbol.
5. Procédé d'estimation selon la revendication 3 ou la revendication 4 dans lequel ledit décodage différentiel met en œuvre une différence modulo M entre, d'une part, un premier opérande fonction dudit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné et, d'autre part, un deuxième opérande fonction dudit estimé dudit symbole de modulation préalablement obtenu délivrant ledit estimé dudit symbole d'information véhiculé par ledit signal. 5. Estimation method according to claim 3 or claim 4 wherein said differential decoding implements a modulo M difference between, on the one hand, a first operand function of said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp and, d 'on the other hand, a second operand function of said estimate of said modulation symbol obtained beforehand delivering said estimate of said information symbol conveyed by said signal.
6. Procédé d'estimation selon la revendication 4 ou 5 dans lequel ladite démodulation et ledit décodage différentiel sont mis en œuvre itérativement pour une succession de portions dudit signal représentatives d'une suite de chirps dans ladite succession temporelle de chirps délivrant une suite correspondante de symboles décodés, une suite d'estimés de symboles d'information véhiculés par ledit signal étant fonction de ladite suite de symboles décodés. 6. Estimation method according to claim 4 or 5 wherein said demodulation and said differential decoding are implemented iteratively for a succession of portions of said signal representative of a series of chirps in said temporal succession of chirps delivering a corresponding series of chirps. decoded symbols, a series of estimates of information symbols conveyed by said signal being a function of said series of decoded symbols.
7. Procédé d'estimation selon l'une quelconque des revendications 3 ou 5 dans lequel ladite démodulation dudit signal met en œuvre : - une multiplication terme à terme entre, d'une part, N échantillons représentatifs dudit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, N échantillons représentatifs d'un chirp de référence, ladite multiplication délivrant N échantillons multipliés ; et 7. Estimation method according to any one of claims 3 or 5 wherein said demodulation of said signal implements: a term-to-term multiplication between, on the one hand, N samples representative of said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, N samples representative of a reference chirp, said multiplication delivering N multiplied samples; and
- une transformée de Fourier desdits N échantillons multipliés délivrant N échantillons transformés, - a Fourier transform of said N multiplied samples delivering N transformed samples,
ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné étant fonction d'un indice d'un échantillon de plus forte amplitude parmi lesdits N échantillons transformés. said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp being a function of an index of a sample of highest amplitude among said N transformed samples.
8. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. 8. Computer program product comprising program code instructions for implementing a method according to any one of claims 1 to 7, when said program is executed on a computer.
9. Dispositif (300) de génération d'un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, ledit s-ème chirp résultant d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts, 9. Device (300) for generating a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to M1, said s-th chirp resulting from a modulation of a basic chirp whose instantaneous frequency varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency for a symbol time Ts,
ladite modulation correspondant, pour ledit symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts, said modulation corresponding, for said modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts,
caractérisé en ce qu'il comprend une machine de calcul reprogrammable ou une machine de calcul dédiée configurée pour effectuer, pour la génération d'un chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps : characterized in that it comprises a reprogrammable computing machine or a dedicated computing machine configured to perform, for the generation of a given chirp in said temporal succession of chirps:
- un encodage différentiel entre, d'une part, un symbole de modulation associé à un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, un symbole d'information donné de ladite constellation de M symboles, ledit encodage différentiel délivrant un symbole de modulation donné ; et a differential encoding between, on the one hand, a modulation symbol associated with a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, a given information symbol of said constellation of M symbols, said differential encoding delivering a given modulation symbol; and
- une modulation dudit chirp de base en fonction dudit symbole de modulation donné générant ledit chirp donné, a modulation of said basic chirp as a function of said given modulation symbol generating said given chirp,
ledit encodage différentiel et ladite modulation étant mis en œuvre itérativement pour une succession de symboles d'information délivrant une suite de chirps dans ladite succession temporelle de chirps. said differential encoding and said modulation being implemented iteratively for a succession of information symbols delivering a series of chirps in said temporal succession of chirps.
10. Dispositif (500) d'estimation d'au moins un symbole d'information d'une constellation de M symboles, s étant un entier de 0 à M-l, véhiculé par un signal comprenant une succession temporelle de chirps parmi M chirps, un s-ème chirp parmi lesdits M chirps étant associé à un symbole de modulation de rang s de ladite constellation de M symboles, 10. Device (500) for estimating at least one information symbol of a constellation of M symbols, s being an integer from 0 to M1, conveyed by a signal comprising a temporal succession of chirps among M chirps, a s-th chirp among said M chirps being associated with a modulation symbol of rank s of said constellation of M symbols,
ledit s-ème chirp résultant d'une modulation d'un chirp de base dont une fréquence instantanée varie entre une première fréquence instantanée et une deuxième fréquence instantanée pendant un temps symbole Ts, said s-th chirp resulting from a modulation of a basic chirp, an instantaneous frequency of which varies between a first instantaneous frequency and a second instantaneous frequency for a symbol time Ts,
ladite modulation correspondant, pour ledit symbole de modulation de rang s, à une permutation circulaire du motif de variation de ladite fréquence instantanée sur ledit temps symbole Ts, obtenue par un décalage temporel de s fois une durée temporelle élémentaire Te, telle que M*Tc=Ts, said modulation corresponding, for said modulation symbol of rank s, to a circular permutation of the variation pattern of said instantaneous frequency over said symbol time Ts, obtained by a time shift of s times an elementary time duration Te, such that M * Tc = Ts,
caractérisé en ce qu'il comprend une machine de calcul reprogrammable ou une machine de calcul dédiée configurée pour effectuer, pour une portion dudit signal représentative d'un chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps : characterized in that it comprises a reprogrammable computing machine or a dedicated computing machine configured to perform, for a portion of said signal representative of a given chirp in said temporal succession of chirps:
- une démodulation de ladite portion dudit signal délivrant un estimé d'un symbole de modulation associé audit chirp donné comprenant : a demodulation of said portion of said signal delivering an estimate of a symbol of modulation associated with said given chirp comprising:
- une multiplication terme à terme entre, d'une part, N échantillons représentatifs dudit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps et, d'autre part, N échantillons représentatifs d'un chirp de référence, ladite multiplication délivrant N échantillons multipliés ; et a term-to-term multiplication between, on the one hand, N samples representative of said given chirp in said temporal succession of chirps and, on the other hand, N samples representative of a reference chirp, said multiplication delivering N multiplied samples; and
- une transformée de Fourier desdits N échantillons multipliés délivrant N échantillons transformés, - a Fourier transform of said N multiplied samples delivering N transformed samples,
ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné étant fonction d'un indice d'un échantillon de plus forte amplitude parmi lesdits N échantillons transformés ; et - un décodage différentiel entre, d'une part, ledit estimé dudit symbole de modulation associé audit chirp donné et, d'autre part, un estimé d'un symbole de modulation préalablement obtenu par mise en œuvre de ladite démodulation appliquée à une autre portion dudit signal représentative d'un chirp précédant ledit chirp donné dans ladite succession temporelle de chirps, ledit décodage différentiel délivrant un symbole décodé, un estimé d'un symbole d'information véhiculé par ledit signal étant fonction dudit symbole décodé. said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp being a function of an index of a sample of highest amplitude among said N transformed samples; and a differential decoding between, on the one hand, said estimate of said modulation symbol associated with said given chirp and, on the other hand, an estimate of a modulation symbol previously obtained by implementing said demodulation applied to another portion of said signal representative of a chirp preceding said given chirp in said temporal succession of chirps, said differential decoding delivering a decoded symbol, an estimate of an information symbol conveyed by said signal being a function of said decoded symbol.
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