Étude de Techniques de Réception des Modulations de Fréquence pour la Télémesure Aéronautique - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Frequency modulation receiver techniques for aeronautical telemetry

Étude de Techniques de Réception des Modulations de Fréquence pour la Télémesure Aéronautique

Résumé

This dissertation is organized as follows. We remind in Chapter 1 the CPM model and we define its main parameters. We then describe the different aeronautical telemetry modulations and we highlight how the spectral efficiency is achieved for each modulation. We then focus on SOQPSK and we present the state of the art representations and approximations of this signal (i.e, the PAM decomposition and the XTCQM representation as well as their respective approximations). In Chapter 2, we first introduce a new vision of the precoder structure by decomposing it into two different stages: the first stage is a recursive encoder and the second one is a duobinary encoder. We then exploit this new vision to develop a new PAM decomposition of duobinary encoded CPM and we apply the obtained results to SOQPSK. We also establish in this chapter a link between the proposed PAM decomposition (DBD) of SOQPSK and its XTCQM representation as well its OQPSK interpretation. Furthermore, we detail the exact role of each stage that constitutes the SOQPSK precoder. In Chapter 3, we build several detection architectures as a direct consequence of proposing a new PAM decomposition. We take advantage of several approaches of the literature. Some rely on the CPM definition of SOQPSK and then exploit the PAM decomposition (Kaleh approach and others use the proposed "linearized" model of SOQPSK (Ungerboeck approach and Forney approach). A complexity study of all the proposed detectors is also carried in this chapter. In Chapter 4, we consider the presence of multipath in the SISO scenario. We first make a classification of the existing aeronautical telemetry channels of the literature. We then present the CMA solution and its different variants. We later propose a new joint channel estimation and detection algorithm for SOQPSK-TG. This solution is an adapted version of the PSP principle and relies on the proposed PAM decomposition given in Chapter 2. In Chapter 5, we focus on the IRIG standardized transmit diversity scheme that allows resolving the two-antenna problem. After introducing the IRIG standardized encoder structure and the state of the art decoders, we develop two decoding structures and we present their different variants. We then consider the presence of multipath in the STC scenario in the second part of this chapter, and we detail the derivation of the new multipath estimator. The results given in Chapter 5 show that the performance of proposed decoders are angle dependent due to employing the standardized scheme. For this reason, we propose in Chapter 6 a new encoding scheme that almost eliminates this angle dependency. Moreover, the scheme ameliorates the transmission rate and allows further complexity reduction of the decoding algorithm. In the second part of this chapter, we highlight that space-time coding is not the only way to overcome the two-antenna problem. We show that sending a SOQPSK-TG signal over one antenna and its artificially delayed copy over the other can also greatly reduce their mutual interference. After determining the necessary delay that should be applied, we show that the proposed interference mitigation technique given in Chapter 4 can also be used in this scenario. Thus, the same receiver architecture can be employed whether one or two antennas are mounted on the aircraft using this approach.
Cette thèse s’est déroulée dans le cadre d’une convention CIFRE avec Zodiac Data Systems (Groupe Zodiac Aerospace). Elle porte sur les techniques de traitement du signal utilisées à la réception pour les systèmes de télémesure aéronautique. En télémesure, les données sont modulées avec une modulation de fréquence mono-porteuse à enveloppe complexe constante (CPM : Continuous Phase Modulation). Ces modulations sont standardisées dans une recommandation qui s’appelle l’IRG et dans la thèse on s’intéresse à la modulation SOQPSK-TG (Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying- Tier Generation) qui commence à remplacer la modulation classique PCM/FM (Pulse Code Modulation/ Frequency Modulation). La modulation SOQPSK ressemble à une modulation MSK (Comme la GMSK par exemple), cependant sa particularité réside dans la nature des alphabets transmis qui sont ternaires et non pas binaires. De plus, comme tout autre CPM, la modulation SOQPSK n’est pas une fonction linéaire des symboles transmis contrairement aux modulations linéaires de type M-PSK (M-ary Phase Shift Keying) ou M-PAM (M-ary Pulse Amplitude Modulation). Toutes ces contraintes rendent la manipulation mathématique de ce type de signaux complexe et l’application des différents algorithmes de traitement du signal décrits dans la littérature non évidente. Afin de relâcher les contraintes mentionnées précédemment, nous nous sommes penchés sur le problème de linéarisation du signal, c’est à dire, trouver une représentation alternative du signal permettant de le considérer comme une fonction linéaire des symboles transmis. Ceci peut être fait grâce à la décomposition de Laurent qui permet d’exprimer un signal CPM binaire comme une somme de modulations linéaires. A l’issue de cette étude, on a réussi à trouver une décomposition alternative à celle décrite dans l’état de l’art. Ce travail a fait l’objet d’un article de journal publié (IEEE Transaction on Communication). Le résultat obtenu à la fin de la première année de thèse était très important pour la suite de la thèse car il établit une passerelle entre les modulations linéaires et la modulation SOQPSK, ce qui nous a permis d’adapter les différents algorithmes de démodulation et d’estimation du canal décrits dans la littérature à notre cas de figure. A l’issue de la linéarisation du signal, différentes architectures de démodulation ont été développées et comparées en terme de performance/ complexité. Ensuite une étude bibliographique a été faite sur les différentes architectures d’estimation du canal. Compte tenu de la nature de la modulation étudiée et des contraintes imposées par le standard IRIG, le choix s’est penché sur une architecture permettant de faire une estimation conjointe du canal et des symboles émis, appelée PSP (Per-Survivor Processing). Les différentes simulations sur des canaux aéronautiques ont montré la robustesse de cette architecture face aux multi-trajets et face au Doppler. Toute l’étude qui a été faite lors des deux premières années de thèse considère le cas SISO (Single Input Single Output). Néanmoins, Afin de garantir une liaison de données permanente, deux antennes sont installées à bord de l’aéronef et séparées pour couvrir une zone de rayonnement différente. Comme ces deux antennes transmettent le même signal et sont séparées d’une distance supérieure à la longueur d’onde, le diagramme de rayonnement fait apparaître de nombreux lobes, créés par alternance d’une addition constructive (en phase) ou destructive (en opposition de phase) des deux signaux. Ce phénomène engendre une rupture du lien de télémesure dans certaines directions et polarisations. Il est appelé «two antennas problem» par la littérature anglo-saxonne de télémesure aéronautique. Une solution pour répondre à ce problème, est de générer sur chaque antenne des signaux à la même fréquence et au même rythme mais qui sont quasi-orthogonaux et donc interfèrent peu. La technique la plus répandue pour ce faire est le codage spatio-temporel (STBC =Space Time Block Coding) dit d’Alamouti qui consiste à créer deux séquences binaires modulantes conçues de telle façon que leur inter-corrélation complexe pour les symboles d’indices pairs et impairs consécutifs soient opposée. Cette solution est standardisée dans les normes de télémesure aéronautique, cependant sa mise en place n’est pas aussi évidente surtout au niveau du récepteur à cause de la nature du signal utilisé (SOQPSK-TG). Nous nous sommes intéressés en 3ème année de la thèse à développer des architectures de décodage du signal en présence du codage Alamouti. Ceci fait l’objet d’un brevet en cours de dépôt.
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tel-02430542 , version 1 (07-01-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02430542 , version 1

Citer

Rami Othman. Étude de Techniques de Réception des Modulations de Fréquence pour la Télémesure Aéronautique. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. CentraleSupelec, 2019. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02430542⟩
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