L'impact des brouilleurs radioélectriques sur la qualité des observations de radiosources est un sujet de préoccupation croissante pour la communauté des radioastronomes. Dans le cadre des techniques de time-blanking, une méthode de détection en temps réel de brouilleurs cyclostationnaires est proposée. Elle repose sur la transformation d'un signal possédant une périodicité cachée en un signal périodique plus facilement détectable. Cet article expose la méthode propement dite, ainsi que les résultats de simulations obtenus avec des signaux de synthèse. Enfin, une implémentation électronique à partir d'un composant logique programmable est proposée

FAYE, Christian

WEBER, Rodolphe

I-Revues

SEIZIÈME COLLOQUE GRETSI — 15-19 SEPTEMBRE 1997 — GRENOBLE 1021
Détecteur temps réel de signaux cyclostationnaires
Principe et implémentation
Rodolphe Weber(1) et Christian Faye(2)
(1)LESI-ESPEO, Université d’Orléans,
45067 Orléans, France,
weber@lesi.univ-orleans.fr
(2)ETIS- ENSEA, 6 Avenue du Ponceau,
95014 Cergy-Pontoise, France
RÉSUMÉ
L’impact des brouilleurs radioélectriques sur la qualité des observa-
tions de radiosources est un sujet de préoccupation croissante pour la
communauté des radioastronomes. Dans le cadre des techniques de
time-blanking, une méthode de détection en temps réel de brouilleurs
cyclostationnaires est proposée. Elle repose sur la transformation
d’un signal possédant une périodicité cachée en un signal périodique
plus facilement détectable. Cet article expose la méthode propement
dite, ainsi que les résultats de simulations obtenus avec des signaux de
synthèse. Enfin, une implémentation électronique à partir d’un com-
posant logique programmable est proposée.
ABSTRACT
The negative impact of radio frequency interference on the quality
of radio astronomical observations is a matter of increasing concern
for the radio astronomy community. The integrity of the data can be
preserved by detecting the interference in order to blank the receiver
in real time. The proposed detector uses cyclostationnary properties
of the interference. It converts the known hidden periodicity into a
true one more easly detectable. In this paper, the method is explained
and simulations with typical interference are presented. Finaly, a
dedicated electronic board using an programmable logic array is
defined.
1 Introduction
Du fait de l’essor des moyens de télécommunications, les
radioastronomes sont confrontés à un nombre croissant d’ob-
servations rendues inexploitables par la présence d’émissions
radioélectriques parasites [1]. Notamment, la prolifétation de
brouilleurs intermittents, qui peuvent polluer des plages en-
tières de données par effet de moyenne (cf. figure 1), est un
sujet d’actualité dans la communauté radioastronomique. Un
des remèdes envisagés est alors de pouvoir suspendre en temps
réel le fonctionnement du récepteur lorsqu’un brouilleur est
détecté (time-blanking).
Dans ce cadre, des méthodes de détection ont été propo-
sées. Elles reposent sur une comparaison en temps réel entre
les spectres mesurés et une référence spectrale ad-hoc [2], [3]
. Spécifiques et lourdes à mettre en oeuvre, ces méthodes ex-
ploitent uniquement des connaissances sur le signal utile. Il
nous a donc paru intéressant, d’une part d’examiner des sys-
tèmes de détection plus souples et d’autre part d’utiliser des in-
formations a priori sur le parasite. Devant la généralisation des
émissions radioélectriques à base de modulations numériques,
nous nous sommes orientés vers un a priori lié aux propriétés
cyclostationnaires inhérentes à cette catégorie de brouilleurs,
et plus précisément, vers la détection de leur périodicité ca-
chée.
Dans une première partie, nous exposerons la manière dont
le caractère cyclostationnaire du brouilleur a été exploité. Dans
une seconde partie, nous donnerons les performances de dé-
tection obtenues par simulation sur des brouilleurs typiques.
Enfin, dans une troisième partie, nous proposerons une implé-
mentation du dispositif sur un composant logique program-
mable de type FPGA1 en vue d’une exploitation en temps réel.
2 Principe du détecteur
Un brouilleur b.t/ est dit cyclostationnaire si sa fonction
d’autocorrélation R.t;  / est périodique en t . Notons T cette
périodicité, appelée aussi périodicité cachée, que nous suppo-
serons connue :
R.t C T;  / D R.t;  / (1)
Classiquement, le caractère cyclostationnaire d’un signal
est mis en évidence sur son spectre cyclique, S.; /, version
fréquentielle de R.t;  /, où  (respectivement ) représente la
fréquence cyclique (resp. spectrale) duale de t (resp. de  ).
En effet, cette représentation 2D (cf. figure 2) fait apparaître
pour le brouilleur cyclostationnaire, b.t/, de l’information
aux seules fréquences cycliques  multiples de 1T [4]. Par
contre, pour le signal utile, u.t/, qui dans notre contexte
est stationnaire, l’information reste cantonnée à la fréquence
cyclique  D 0. Cette technique permet donc de séparer
efficacement les deux hypothèses suivantes :
H0 : s.t/ D u.t/ (2)
1Field Programmable Gate Array
1022
−36 −34 −32 −30 −28 −26
−20
−10
0
10
20
30
40
50
Vitesse (km/s)
Te
m
pé
ra
tu
re
 d
’A
nt
en
ne
 (K
elv
in)
FIG. 1 — Profil spectral de l’enveloppe de l’étoile évoluée
OH104.9, mesuré avec le Radiotélescope Décimétrique de
Nançay (en trait continu le profil normal et en trait pointillé
le profil contaminé par un satellite de radiolocalisation russse
GLONASS).
H1 : s.t/ D u.t/C b.t/ (3)
Cependant, comme toute technique 2D, elle reste lourde à
mettre en oeuvre dans le cas d’une application en temps
réel. Pour palier cet inconvénient majeur, le détecteur proposé
permet de revenir à un espace monodimensionnel tout en
conservant l’éventuelle signature cyclique du brouilleur. Dans
ce but, et de manière imagée, une projection, notée P./, du
spectre cyclique S.; / sur l’axe des fréquences cycliques 
est réalisée (cf. figure 2). En pratique, P./ est obtenue par le
calcul de l’autocorrélation de la transformée de Fourier, notée
Sa./, du signal analytique associé à s.t/ :
P./ D
Z C1
Ä1
Sa./S

a . Ä /d (4)
L’utilisation du signal analytique permet d’éviter l’apparition
de raies parasites dues aux corrélations entre les fréquences
positives et négatives. P./ se compose d’un spectre de raies
périodiques dû au brouilleur cyclostationnaire b.t/, auquel
se superpose un spectre continu dû au signal utile u.t/ (cf
figure 2). Par transformée de Fourier inverse, le dual temporel
de P./, noté m.t/, contient une composante T -périodique
qu’il est alors facile de détecter par un simple moyennage
synchrone ou un filtrage en peigne. Pratiquement, m.t/ s’écrit
simplement comme :
m.t/ D T FÄ1[P./].t/ D sa.t/2 (5)
où sa.t/ est le signal analytique associé à s.t/ et T F
Ä1
représente la transformée de Fourier inverse.
Ainsi, la chaîne complète de détection (cf. figure 2) se ré-
duit à des opérations de filtrage linéaire (un filtrage de Hilbert
pour le calcul du signal analytique, un centrage pour élimi-
ner la composante continue ; un moyennage synchrone pour la
détection de la composante T -périodique et des sommateurs
pour intégrer les données) et à quelques quadrations, le tout
étant faceilement implémentable en temps réel.
S(  ,  )
=0
=1/T
=3/T
=2/T
P(  )
brouilleur
cyclostationnaire
signal utile
FIG. 2 — Répartition respective du brouilleur cyclostation-
naire b.t/ de périodicité cachée T (hachures horizontales) et
du signal utile u.t/ (hachures verticales) dans la représenta-
tion 2D S.; / et dans la représentation monodimensionnelle
P./.
(.)²
+
+
s(t)
m(t)
seuil
0/1
Centrage
Hilbert
(.)²
Retard T
+
+
FLEX10K50
(.)²
Moyennage SynchronePuissance Moyenne
FIG. 3 — Principe du détecteur
3 Simulations
La méthode décrite précédemment a été simulée avec
des signaux de synthèse reproduisant des configurations
réelles rencontrées au Radiotélescope Décimétrique de Nan-
çay (NRT). Citons par exemple les émissions à spectre étalé
dues à des satellites de radiolocalisation (GLONASS2 ou
GPS3), qui sont une source fréquente de perturbations pour
les radioastronomes. Elles présentent effectivement une pé-
riodicité cachée, soit du fait de la structure même du signal
(par exemple la largeur des impulsions dans les modulations
BPSK4), soit du fait d’une translation fréquentielle qui vient
détruire une périodicité initialement présente dans le signal
(par exemple un effet Doppler affectant la clef binaire qui code
l’information). Les figures 3.a, 3.b et 3.c donnent les spectres
caractéristiques des trois brouilleurs b.t/ utilisés dans les si-
mulations. Leur périodicité cachée, T , vaut respectivement 4,
8, 66 en temps normalisé. Le signal utile u.t/ est un bruit gaus-
2GLObal NAvigation Satellite System.
3Global Positioning System.
4Binary Phase Shift Keying.
SEIZIÈME COLLOQUE GRETSI — 15-19 SEPTEMBRE 1997 — GRENOBLE 1023
sien centré et blanc. La détection de la période T se fait par
moyenne synchrone sur 1024  T échantillons, puis par calcul
de la puissance moyenne sur une période.
La figure 3 donne les courbes COR tracées à partir de 100
réalisations des hypothèses H0 et H1. Les résultats obtenus
montrent que des parasites présentant un rapport parasite sur
bruit (RP B) de -14 dB sont détectés avec une probabilité
de détection de 95% , avec une probabilité de fausse alarme
de 5% et avec un nombre réduit d’échantillons. A titre de
comparaison, avec le même nombre d’échantillons que le
cas de la figure 4.c, la méthode de détection actuellement
utilisée au NRT (détection par seuils sur le spectre mesuré)
n’atteindrait qu’un RP B de -1 dB avec la résolution spectrale
la plus favorable. D’autre part, de manière asymptotique,
une augmentation du temps de détection d’un facteur 100
permettrait de descendre le seuil minimal de détection de 10
dB.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0
10
20
D
SP
 (a
)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0
5
10
D
SP
 (b
)
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0
10
20
f
D
SP
 (c
)
FIG. 4 — Densité spectrale de puissance (DSP) des 3
brouilleurs utilisés en simulation. Ils ont été filtrés et translatés
en fréquence. Pour (a) et (b), la périodicité cachée correspond
à la largeur de l’impulsion élémentaire d’un signal BPSK.
Pour (c), la périodicité cachée correspond à la période d’une
clé binaire associée à un signal BPSK.
4 Implantation
Le détecteur proposé fait actuellement l’objet d’une im-
plantation sur un circuit électronique dans l’optique d’une ex-
périmentation sur des signaux réels à la station de radioastro-
nomie de Nançay. Son principe se découpe comme suit :
Dans un premier temps le signal est mis en forme en vue
de son traitement numérique. Outre le classique filtre anti-
repliement, un contrôle automatique de gain a été développé. Il
permet de s’affranchir des fluctuations de puissance ( 10 %)
que présente habituellement le signal utile.
Dans un deuxième temps, après une conversion analogique-
numérique, le signal, codé sur 12 bits, est traité par l’algo-
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
Pd
Pf
a
periode = 66
periode = 4
periode = 8
(c)
(a)
(b)
FIG. 5 — Courbes COR. Le rapport puissance du brouilleur
sur puissance du signal utile est de -14 dB. Le nombre
d’échantillons utilisés est de 1024période.
rithme de détection décrit précédemment (cf. figure 2). La fré-
quence de travail est actuellement de 3 Méch/s.
L’implantation se fait sur un composant logique program-
mable de la famille FLEX10K50 de la société Altera. Ce type
de composant se caractérise par un nombre de portes logiques
élevé ( 100000 portes) et par la présence de mémoire vive
(RAM) qui peut être utilisée, soit pour le routage interne, soit
comme moyen de stockage de données. Le filtrage de Hilbert
est réalisé en virgule fixe, sous la forme d’un filtre transverse
à 33 coefficients. La présence de la RAM interne permet de
mémoriser l’ensemble des produits partiels et ainsi de vecto-
riser complètement les opérations de multiplication. Le gain
en vitesse de traitement est considérable. Il peut atteindre 100
Méch/s. Les autres fonctions (quadration, centrage, moyen-
nage synchrone, intégration) ont été réalisées en virgule flot-
tante (8 bits de mantisse et 7 bits d’exposant) pour limiter les
problèmes de dépassement. La réalisation du retard de lon-
gueur T utilisé dans le moyennage synchrone exploite effi-
cacement la présence de la RAM interne pour gérer une pile
FIFO5. Les outils associés au FLEX10K50 facilitent la tâche
de programmation du composant. Par contre, le nombre élevé
de broches (403 au total) rend très délicat le routage de la carte
électronique.
5 Conclusion
Dans le cadre de techniques de time-blanking, le détecteur
proposé permet une exploitation originale et en temps réel du
caractère cyclostationnaire présent dans certaines émissions
radioélectriques parasites. Il permet d’éliminer efficacement
des brouilleurs de rapport parasite sur signal plutôt élevé—
relativement aux seuils de brouillage préjudiciable en vigueur
en radioastronomie ( Ä50 dB)—. D’autre part, l’utilisation
d’un composant logique programmable permet d’obtenir une
5First In First Out.
1024
électronique compacte et rapide où toutes les fonctionalités de
l’algorithme ont pu être implémentées. Enfin, remarquons que
la méthode proposée peut s’utiliser dans d’autres domaines
d’application comme par exemple la surveillance en temps réel
de l’usure des engrenages dans les turbines ou encore l’analyse
rapide de modulations en télécommunications.
Remerciements
Les auteurs remercient l’Unité Scientifique Nançay de
l’Observatoire de Paris, Unité de Service et de Recherche
(USR) No. B704 du CNRS pour son support financier.
Références
[1] E. Gérard. La radioastronomie face à la saturation du
domaine hertzien. La Vie des Sciences, Comptes rendus,
série générale, tome 10, no.3, pp. 175-197, 1993.
[2] R. Weber R et C. Faye. Analyse spectrale haut débit
à l’aide d’un autocorrélateur 1 bit à la station de ra-
dioastronomie de Nançay. Impact des brouilleurs radio-
électriques. 15 Jeme Colloque Gretsi, Juan les Pins, France,
1995.
[3] R. Lacasse. RFI excision on the spectral processor and
why it is not used. Proc. of Workshop on New Generation
of Digital Correlators, National Radio Astronomy Obser-
vatory, USA, 1993.
[4] W.A. Gardner W.A. et C.M. Spooner, Signal interception :
Performance advantages of cyclic-feature detectors. IEEE
Transactions on communications, Vol.10, no. 1, pp149-
159, 1992.


Détecteur temps réel de signaux cyclostationnaires. Principe et implémentation

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