Robust Detection of Binary CPMs With Unknown Modulation Index

International audienceWe consider soft-output detection of a binary continuous phase modulation (CPM) generated through a low-cost transmitter, thus characterized by a significant modulation index uncertainty, and sent over a channel affected by phase noise. The proposed detector is designed by adopting a simplified representation of a binary CPM signal with the principal component of its Laurent decomposition and is obtained by using the framework based on factor graphs and the sum-product algorithm. It does not require an explicit estimation of the modulation index nor of the channel phase and is very robust to large uncertainties of the nominal value of the modulation index. Being soft-output in nature, this detector can be employed for iterative detection/decoding of practical coded schemes based on a serial concatenation, possibly through a pseudo-random interleaver, of an outer encoder and a CPM modulation forma

Low Complexity Noncoherent Iterative Detector for Continuous Phase Modulation Systems

This paper focuses on the noncoherent iterative detection of continuous phase modulation. A class of simplified receivers based on Principal-Component-Analysis (PCA) and Exponential-Window (EW) is developed. The proposed receiver is evaluated in terms of minimum achievable Euclidean distance, simulated bit error rate and achievable capacity. The performance of the proposed receiver is discussed in the context of mismatched receiver and the equivalent Euclidean distance is derived. Analysis and numerical results reveal that the proposed algorithm can approach the coherent performance and outperforms existing algorithm in terms of complexity and performance. It is shown that the proposed receiver can significantly reduce the detection complexity while the performance is comparable with existing algorithms

Binary Continuous Phase Modulations Robust to a Modulation Index Mismatch

International audienceWe consider binary continuous phase modulation (CPM) signals used in some recent low-cost and low-power consumption telecommunications standard. When these signals are generated through a low-cost transmitter, the real modulation index can end up being quite different from the nominal value employed at the receiver and a significant performance degradation is observed, unless proper techniques for the estimation and compensation are employed. For this reason, we design new binary schemes with a much higher robustness. They are based on the concatenation of a suitable precoder with binary input and a ternary CPM format. The result is a family of CPM formats whose phase state is constrained to follow a specific evolution. Two of these precoders are considered. We will discuss many aspects related to these schemes, such as the power spectral density, the spectral efficiency, simplified detection, the minimum distance, and the uncoded performance. The adopted precoders do not change the recursive nature of CPM schemes. So these schemes are still suited for serial concatenation, through a pseudo-random interleaver, with an outer channel encoder

Synchronization Techniques for Burst-Mode Continuous Phase Modulation

Synchronization is a critical operation in digital communication systems, which establishes and maintains an operational link between transmitter and the receiver. As the advancement of digital modulation and coding schemes continues, the synchronization task becomes more and more challenging since the new standards require high-throughput functionality at low signal-to-noise ratios (SNRs). In this work, we address feedforward synchronization of continuous phase modulations (CPMs) using data-aided (DA) methods, which are best suited for burst-mode communications. In our transmission model, a known training sequence is appended to the beginning of each burst, which is then affected by additive white Gaussian noise (AWGN), and unknown frequency, phase, and timing offsets. Based on our transmission model, we derive the Cramer-Rao bound (CRB) for DA joint estimation of synchronization parameters. Using the CRB expressions, the optimum training sequence for CPM signals is proposed. It is shown that the proposed sequence minimizes the CRB for all three synchronization parameters asymptotically, and can be applied to the entire CPM family. We take advantage of the simple structure of the optimized training sequence in order to design a practical synchronization algorithm based on the maximum likelihood (ML) principles. The proposed DA algorithm jointly estimates frequency offset, carrier phase and symbol timing in a feedforward manner. The frequency offset estimate is first found by means of maximizing a one dimensional function. It is then followed by symbol timing and carrier phase estimation, which are carried out using simple closed-form expressions. We show that the proposed algorithm attains the theoretical CRBs for all synchronization parameters for moderate training sequence lengths and all SNR regions. Moreover, a frame synchronization algorithm is developed, which detects the training sequence boundaries in burst-mode CPM signals. The proposed training sequence and synchronization algorithm are extended to shaped-offset quadrature phase-shift keying (SOQPSK) modulation, which is considered for next generation aeronautical telemetry systems. Here, it is shown that the optimized training sequence outperforms the one that is defined in the draft telemetry standard as long as estimation error variances are considered. The overall bit error rate (BER) plots suggest that the optimized preamble with a shorter length can be utilized such that the performance loss is less than 0.5 dB of an ideal synchronization scenario

Nouvelle forme d'onde et récepteur avancé pour la télémesure des futurs lanceurs

Les modulations à phase continue (CPMs) sont des méthodes de modulations robuste à la noncohérence du canal de propagation. Dans un contexte spatial, les CPM sont utilisées dans la chaîne de transmission de télémesure de la fusée. Depuis les années 70, la modulation la plus usitée dans les systèmes de télémesures est la modulation CPFSK continuous phase frequency shift keying filtrée. Historiquement, ce type de modulation est concaténée avec un code ReedSolomon (RS) afin d'améliorer le processus de décodage. Côté récepteur, les séquences CPM non-cohérentes sont démodulées par un détecteur Viterbi à sortie dure et un décodeur RS. Néanmoins, le gain du code RS n'est pas aussi satisfaisant que des techniques de codage moderne capables d'atteindre la limite de Shannon. Actualiser la chaîne de communication avec des codes atteignant la limite de Shannon tels que les codes en graphe creux, implique deremanier l’architecture du récepteur usuel pour un détecteur à sortie souple. Ainsi, on propose dans cette étude d' élaborer un détecteur treillis à sortie souple pour démoduler les séquences CPM non-cohérentes. Dans un deuxième temps, on concevra des schémas de pré-codages améliorant le comportement asymptotique du récepteur non-cohérent et dans une dernière étape on élabora des codes de parité à faible densité (LDPC) approchant la limite de Shannon

Synchronisation, détection et égalisation de modulation à phase continue dans des canaux sélectifs en temps et en fréquence

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable