INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE
TOULOUSE
4 me Ann e IR
_________
CANAUX DE TRANSMISSIONS
BRUITES
SUPPORT DE COURS
ENONCE DE TRAVAUX DIRIGES
Alexandre Boyer
http://www.alexandre-boyer.fr
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
TABLE DES MATIERES
Introduction..................................................................................................................... 3
A. Caract ristiques des canaux de transmission ............................................................. 6
B. Le bruit et son effet sur les communications num riques........................................ 16
C. Effet du canal sur le d bit dune transmission num rique ....................................... 40
D. Impact du bruit sur un signal modul ...................................................................... 55
E. Techniques de fiabilisation dun canal de transmission par codage de canal .......... 69
F. Techniques de fiabilisation dun canal de transmission sur la couche physique ..... 78
G. R g n ration dun signal ......................................................................................... 89
Conclusion - Planification dune transmission num rique ........................................... 99
R f rences................................................................................................................... 101
Annexe A Rappel sur les unit s ............................................................................... 102
Annexe B Produits dintermodulation pour une non-lin arit dordre 3................. 104
Annexe C Spectre dun signal num rique ............................................................... 107
Annexe D D monstration du premier crit re de Nyquist et Bande passante de
Nyquist ........................................................................................................................ 113
Annexe E Filtre en cosinus sur lev ........................................................................ 115
Annexe F Fonction derreur de Gauss compl mentaire ERFC ............................... 118
Annexe G Glossaire ................................................................................................. 120
Travaux Dirig s .......................................................................................................... 121
A. Boyer
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Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
Introduction
Le r le dun syst me de t l communications est de transmettre distance des informations
dun metteur un ou plusieurs r cepteurs au travers dun canal de mani re fiable et co t r duit.
Dans un syst me de transmission num rique, une suite finie de symboles repr sente linformation.
Celle-ci est transmise sur le canal de transmission par un signal r el ou analogique. Ce signal peut
prendre une infinit de valeurs diff rentes et est ainsi soumis diff rentes formes de perturbations et
dinterf rences, pouvant conduire des erreurs dinterpr tations du signal recueilli par le r cepteur. Le
r le de ling nieur en t l communications est donc de sassurer que le r cepteur pourra recevoir le
message mis par l metteur sans aucune erreur, par un dimensionnement judicieux du canal de
transmission et par la mise en place de techniques le rendant plus robuste.
Rappel historique :
La figure 1 pr sente un historique de l volution des techniques de t l communications.
Contrairement ce que lon pourrait croire, les premiers syst mes de t l communications tre
apparus taient num riques. Il sagissait des t l graphes optiques de Chappe (1794) et lectriques de
Morse (1832), dans lesquels linformation tait repr sent e par des impulsions lumineuses ou
lectriques. Cest ensuite le t l phone de Bell (1876) et les transmissions radio de Marconi (1896) qui
ont ouvert l re des communications analogiques. Ainsi, les premiers syst mes radio mobiles taient
analogiques. Les premi res bases th oriques des communications num riques datent de 1948
(Shannon), mais le num rique est finalement apparu la fin des ann es 70 avec des applications telles
que le CD audio, les ordinateurs personnels, les GSM& Ces derni res ann es ont vu une v ritable
explosion des syst mes et des normes de communication, principalement sans fils. Bien que les
premi res transmissions radio datent de plus dun si cle, les syst mes de communication sont rest s
principalement filaires. Une des principales difficult s tait li e aux propri t s non stationnaires du
canal radio. Un signal peut suivre plusieurs chemins pour arriver un r cepteur donn , ce qui peut
conduire distordre tr s fortement le signal re u. Ainsi, le canal de transmission radio a un impact
n faste sur la qualit du signal transmis. Il est donc essentiel de mettre en place des circuits et des
algorithmes permettant de fiabiliser la transmission. N anmoins, m me si des ing nieurs et des
chercheurs avaient d j imagin des solutions, leur mise en Suvre tait difficile voire impossible faute
de technologies suffisamment performantes sur lesquels elles pouvaient tre implant es. Le boom
de lindustrie de la micro lectronique partir des ann es 70 et l volution constante des
performances des circuits int gr s a rendu possible le d veloppement r cent des syst mes de
t l communications.
1832 - invention
du t l graphe
1950 1st service de
radiot l phonie
1987 - standard
GSM
2008 DVB-H
en France
1876 - invention
du t l phone
1948 Travaux de
C. Shannon
1978 - Advanced
Mobile Phone
Service
2002 - d ploiement
du 1e r seau UMTS
2010 D ploiement
3.9G LTE
1860 - 1e liaison
t l graphique
transatlantique
1896 - 1e liaison
radio
1956 - 1e liaison
t l phonique
transatlantique
1983 - protocole
TCP-IP
2005 -standard
Wimax
Fig. 1 - Historique des techniques de t l communications
A. Boyer
3
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
Analogique vs num rique :
un
Fig. 2 T l graphe de Morse
signaux
Les
pr sentent
num riques
par
avantages
certains
rapport
signaux
aux
analogiques. Le principal
avantage est la vuln rabilit
signal
moindre
du
num rique
aux
perturbations ext rieures par
signal
rapport
analogique. En effet, il est
plus difficile dentra ner la
modification dun bit dans
un signal num rique que de
perturber s rieusement un
de
signal
quelques
de
millivolts. Le deuxi me
avantage
est
est
possible de manipuler un signal num rique et de le soumettre diff rents traitements (image, son,
vid o&.). Celui-ci peut tre compress pour am liorer le d bit dinformations, des codes d tecteurs ou
correcteurs derreur peuvent lui tre ajout s, le rendant plus robuste aux perturbations ext rieures.
N anmoins, la mise au point dun syst me num rique est plus complexe que celle dun syst me
analogique au point de vue syst mes lectroniques mais aussi au niveau des algorithmes d velopper.
La complexit se traduit aussi en terme de co t. Lav nement des syst mes num riques sest ainsi fait
en parall le de celle de l volution des circuits int gr s.
analogique
dizaines
Publicité
Fig. 4 Radio de Marconi
Fig. 3 - T l phone de Bell
Fig. 5 Claude Shannon
quil
Probl matique du cours de canaux de transmission bruit s
Le r le de tout syst me de communication est dassurer que le r cepteur comprenne
lint gralit des messages transmis par l metteur, quel que soit la compression, le format ou le type
des donn es, mais aussi les perturbations induites sur le canal de transmission et son effet parasite. La
figure 6 pr sente un sch ma g n ral un canal de transmission.
source
10011 &
Filtre
metteur
E(t)
Support de
transmission
Filtre
r cepteur
R(t)
D cision
0 ou 1 ?
chantillonneur
BRUIT
Canal de transmission
Fig. 6 - Sch ma dun canal de transmission num rique
Le transfert de linformation n cessite une source de donn es, traduites dans un syst me
compr hensible par l metteur et le r cepteur (codage, format, compression pr alablement d finis). Le
canal proprement dit repr sente le lien ou le support de transport de linformation entre les 2 entit s
communicantes, mais il comprend aussi les dispositifs en entr e et en sortie du support de transmission
qui vont aider l mission, la r ception et lextraction correcte des donn es num riques. Pour
envoyer le signal travers le canal, la source a besoin dun syst me dadaptation (physique pour
mettre en forme le signal, logiciel pour le protocole de dialogue). Le signal peut tre directement
A. Boyer
4
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
transmis travers le canal, la transmission se fait alors sur la m me bande de fr quence que le signal
transmettre. On parle alors de transmission en bande de base. N anmoins, ce type de transmission
est rarement r alis en pratique, notamment pour les transmissions radio. Le signal est alors transmis
hors de la bande de base, une modulation permet de transposer le signal en bande de base des
bandes de fr quence bien plus hautes pr sentant des caract ristiques bien meilleures et permettant un
partage du canal radiofr quence entre tous les syst mes de t l communications.
Une fois le signal transmis, le r cepteur r cup re lautre bout du canal un signal perturb ,
d form et affaibli. De ce signal, il doit extraire linformation num rique originale sans erreur. Un
filtrage permet de compenser les effets n fastes du support de transmission. Puisquil sagit
dinformation num rique et synchrone, le r cepteur doit tre capable de r cup rer lhorloge sur
laquelle les bits mis taient initialement synchronis s. Une fois que le r cepteur a reconstruit un
signal num rique propre , il doit linterpr ter et d cider de la valeur prise par signal chaque
p riode.
N anmoins, le signal transmis est soumis de nombreuses perturbations externes et internes
au canal de transmission. Dans un premier temps, le bruit ambiant peut perturber les communications
num riques, en d gradant lamplitude des symboles re us ce qui augmente le risque derreur
didentification de ces symboles. Des techniques de traitement du signal, de codage et de modulation
ont t d velopp es ces derni res ann es pour am liorer la robustesse des liaisons vis- -vis du bruit.
N anmoins, le bruit nest pas la seule source de perturbations, la fonction de transfert du canal
introduit une distorsion au signal lors de sa propagation. De plus, dans le cas de communications
num riques, laspect multi utilisateur doit tre pris en compte car le canal de transmission est partag
et des interf rences sont craindre. Par cons quent, les performances des syst mes de communication
d pendent des caract ristiques du canal de propagation. En outre, les caract ristiques temporelles du
canal tendent taler le temps de transmission dun symbole, augmentant le risque de chevauchement
de plusieurs symboles adjacents et limitant le d bit de transmission admissible sur ce canal. La tache
d licate de ling nieur en t l communication est de trouver des solutions en terme de format de
modulation et codage de linformation, pour optimiser ces performances, et donc pour diminuer la
r ception la probabilit derreur lors de la d cision sur les symboles re us.
Le but de ce cours est de pr senter lorigine de toutes les perturbations pouvant affecter la
transmission dun signal entre un metteur et un r cepteur, de d terminer dans quelles conditions un
canal va assurer correctement la transmission, et de proposer diff rentes techniques qui vont permettre
de r duire la probabilit dapparition derreurs. Dans ce cours, nous nous int resserons principalement
aux transmissions num riques puisque celles-ci sont majoritairement employ es dans les standards
de communication. Les objectifs de ce cours sont les suivants :
(cid:1) Pr senter larchitecture g n rale dun canal de transmission ainsi que les diff rents types de
canaux et leurs caract ristiques.
(cid:1) Pr senter lorigine du bruit et son effet sur lidentification des symboles transmis ( tablir
pour un signal binaire le lien entre le rapport signal bruit et le taux derreur binaire).
(cid:1) Pr senter les caract ristiques temporelles dun canal et les limitations pos es en terme de
d bit de donn es transf r es sur le canal.
(cid:1) D finir la capacit dun canal de transmission, qui caract rise le d bit binaire maximum
th orique sans erreur.
(cid:1) D terminer la robustesse au bruit de signaux num riques modul s.
(cid:1) D crire des techniques de fiabilisation de la transmission dun signal par codage de canal,
filtrage, mise en forme &
(cid:1) D crire des techniques de r g n ration du signal.
A. Boyer
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Canaux de transmissions bruit s
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A. Caract ristiques des canaux de
transmission
Dans ce chapitre, nous allons dans un premier temps pr senter larchitecture g n rale dun
canal de transmission num rique et d crire bri vement les diff rents blocs le constituant. Dans un
deuxi me temps, nous d crirons les principaux supports de transmissions num riques employ s de nos
jours ainsi que leurs principales caract ristiques.
I. Architecture g n ral dun canal de transmission
Les syst mes de t l communication num rique sont bas s sur larchitecture pr sent e la
figure 7. La source primaire dinformation peut tre soit de type analogique quon num rise ensuite
(ex. de la voix pour un t l phone mobile) soit directement de type num rique. Linformation
analogique est ensuite chantillonn e et num ris e travers un tage de conversion analogique
num rique. La taille du message binaire original ainsi produit est en g n ral tr s importante et contient
en outre un grand nombre de redondance. Il subit alors un codage de source, qui a pour but de le
mettre dans un format standard d change et de r duire sa taille (compression). Le codage source peut
aussi comporter une tape de cryptage dans le cas o lon souhaite s curiser le transfert des donn es et
leur archivage.
Pr paration la transmission
Reconstitution de la source
Source
analogique
Source
num rique
Destinataire
num rique
Destinataire
analogique
Num risation source
Codage source
Cryptage
Codage de canal
Modulation
Acc s multiple. Mise
sur porteuse.
Amplification
Conversion N/A
D compression source
D cryptage
D codage de canal
D modulation
Filtrage. Mise en bande
de base. Amplification
faible bruit
Transmission
R ception
BRUIT
R ception =
Reconstruction
du signal
canal
canal
Fig. 7 Architecture g n ral dun canal de transmission
Un canal de transmission ne se limite pas seulement au support physique du transfert de
linformation. Il comprend aussi les dispositifs qui permettent dadapter le signal transmettre au
canal et de minimiser les erreurs de r ception. Ces tapes peuvent tre r alis es bien en amont de la
transmission proprement dite. La premi re tape est le codage de canal, qui consiste ajouter
A. Boyer
6
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
volontairement de la redondance au signal afin de le prot ger contre les diff rentes perturbations. On
retrouve par exemple lajout de codes d tecteurs ou correcteurs derreurs. Le codage de canal est
r alis uniquement en bande de base.
Une fois que ces symboles ont t ajout s au signal num rique, celui-ci est modul afin de
transformer le signal informatif en un signal physique capable de transiter sur le canal de transmission
utilis . Le signal est alors transpos de sa bande de base une bande de fr quence bien plus haute. La
Publicité
technique de modulation est choisie en fonction de la nature du canal, de son utilisation et du d bit.
Des techniques dacc s multiples ou de multiplexage peuvent tre employ es afin de partager un
m me canal entre diff rents utilisateurs et doptimiser son utilisation, mais aussi de r duire linfluence
des parasites. Suivant la technique employ e, le multiplexage peut tre effectu dans ou hors bande de
base.
Une fois le signal mettre mis en forme (modul , filtr , amplifi ), il peut tre transmis
travers le canal de transmission. A travers ce cours, on supposera que le signal mis est vierge de tout
parasite puisque toutes les pr cautions ont t prises afin dassurer la qualit du signal mis. Le
passage de linformation travers le canal est critique. Le signal subit latt nuation et les d formations
inh rentes au canal ainsi que les diff rentes perturbations ext rieures qui se couplent sur le canal. Le
canal nest pas le seul responsable de lajout de bruit au signal utile puisque lensemble des circuits de
r ception et de r g n ration du signal ajoute une part non n gligeable de bruit. En outre, le bruit nest
pas le seul probl me. Le canal pr sente certains d fauts intrins ques (inertie aux changements
temporels, att nuation, &) qui limite la quantit dinformation quon peut faire passer travers le
canal. A partir de la th orie de linformation (chapitre C), il est possible de pr dire les performances
limites th oriques dun canal de transmission.
Le r cepteur re oit le plus souvent un signal faible, bruit et distordu quil va falloir
reconstruire avant de linterpr ter. La premi re tape de la r ception consiste filtrer le signal et
lamplifier afin de lextraire du bruit ambiant et des interf rences. Une tape de d modulation suit afin
dextraire le signal utile et de le ramener en bande de base. Diff rentes tapes de r g n ration
permettent ensuite de reformer un signal num rique dune qualit suffisante pour tre trait par un
circuit lectronique. Lop ration de d codage de canal suit, afin de v rifier que le signal re u nest pas
erron et enlever lensemble des symboles rajout s lors du codage du canal. En cas de d tection
derreur, des demandes de retransmission peuvent tre pr vues suivant le protocole employ . Le signal
num rique quon cherchait transmettre peut enfin tre envoy au destinataire. Si la qualit du canal
et les techniques de fiabilisation de la transmission taient suffisants, le destinataire ne devrait faire
aucune erreur dinterpr tation et retrouver le signal original.
Exercice - Etat de lart technologique : la figure ci-dessous pr sente lint rieur dun t l phone
portable et un sch ma bloc simplifi . D terminer dans quels blocs sont r alis es les op rations
d crites la figure 7.
R ponse :
A. Boyer
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Canaux de transmissions bruit s
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M moires
Microprocesseur
BaseBand Analog
Filtre
CAN
Codage
voix
Codage
canal
Mod.
BaseBand
DSP
j
j
j
Filtre
CNA
D codage
voix
D codage
canal
Egal.
CAN
CAN
CNA
CNA
I
Q
I
Q
Transmetteur
RF
PA
Transceiver
RF & IF
Analog
Antenne
R cepteur
RF
Fig. 8 - T l phone cellulaire clat et sch ma bloc
A. Boyer
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Canaux de transmissions bruit s
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II. Les diff rents types de canaux de transmission
Une transmission dinformation se fait toujours distance, un support physique assure le lien
entre la source et le destinataire. Dans cette partie, nous allons pr senter les principaux supports
couramment utilis s comme m dia de transmission.
1. Communication lectrique filaire
Linformation est v hicul e par un signal lectrique , cest dire une onde
lectromagn tique se propageant travers un c ble m tallique. On trouve deux cat gories de lignes de
transmission utilis es en t l communications :
(cid:1)
(cid:1)
c ble bifilaire, de bande passante faible et r serv pour les
transmissions bas d bit (inf rieur 2 Mbits/s pour le r seau
t l phonique). Il sagit le plus souvent de paires bifilaires torsad es
afin de r duire la surface de couplage aux perturbations ext rieures.
c ble coaxial, de bande passante plus importante et qui permet de r aliser des transmissions
avec un d bit relativement lev (jusqu' 565 Mbits/s sur le r seau
t l phonique). Le c ble coaxial est notamment utilis pour
connecter les centraux t l phoniques entre lesquels transite un
grand nombre de communications. Son avantage par rapport au
c ble bifilaire est d tre blind , r duisant ainsi
le couplage des perturbations
lectromagn tiques, et de pr senter un milieu de propagation quasi uniforme le long de la
ligne.
La principale caract ristique dun c ble est son imp dance caract ristique. Celle-ci est d finie
par les dimensions g om triques de la ligne et le milieu de propagation de londe lectromagn tique le
long de la ligne (constante di lectrique de lisolant). Cette imp dance ne repr sente pas une imp dance
au sens classique lectrique du terme, il sagit en fait du rapport du champ lectrique sur le champ
magn tique de londe se propageant dans le c ble ( quation 1). La valeur de limp dance
caract ristique dun c ble d pend de ses caract ristiques g om triques et du milieu de propagation
(permittivit di lectrique de lisolant s parant les deux conducteurs du c ble).
(
W
(
m/V
E
=
)
)
( quation 1)
Z
c
H
(
)m/A
La connaissance de limp dance caract ristique est fondamentale car elle va permettre de
d terminer la valeur optimale donner la charge terminale Zload de la ligne pour assurer la meilleure
transmission du signal. Une ligne est dite adapt e si on v rifie l galit suivante :
. Dans le
cas dune ligne adapt e, toute l nergie de londe incidente est fournie la charge terminale. Par
contre, toute rupture dimp dance conduit la r flexion dune partie de londe incidente, la mani re
dun changement de milieu pour une onde lumineuse. Lamplitude de cette onde r fl chie est dautant
plus grande que la d sadaptation est importante, comme le montre l quation 2:
Z=
load
Z
c
=G
V
refl
V
inc
=
Z
Z
load
load
Z
Z
C
C
+
( quation 2)
Publicité
O est le coefficient de r flexion, Vinc et Vrefl lamplitude en tension des ondes incidentes et
r fl chies. Londe pr sente le long de la ligne de transmission est la combinaison des ondes incidentes
et r fl chies.
Que se passe t-il alors si la condition dadaptation nest pas respect e ? Pour r pondre cette
question, il faut consid rer les effets li s la propagation de londe lectromagn tique le long du
c ble, qui vont d pendre du rapport entre la longueur du c ble et la longueur donde du signal
transmis. La longueur donde dans le vide dune onde est li e sa fr quence par l quation suivante,
o c est la vitesse de la lumi re (3.108 m/s) :
A. Boyer
9
-
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
c=l
f
( quation 3)
Pour de faibles fr quences, la longueur donde est largement plus grande que la longueur de la
ligne de transmission, londe est quasiment constante en tout point de la ligne, quel que soit
limp dance de charge (fig. 9). Par contre, si la longueur donde devient inf rieure la longueur de la
ligne, lamplitude de londe nest plus constante le long de la ligne, et pr sente des minima et maxima
r guli rement espac s.
L <<
c ble
onde
Vinc
L >>
c ble
onde
Vinc
0
x
L
0
x
L
Lamplitude de londe
est quasi constante sur
toute la ligne
Lamplitude de londe
nest pas constante le
long de la ligne
Fig. 9 Propagation dune onde le long dune ligne de transmission en fonction de sa longueur donde
Si ladaptation de la ligne nest pas assur e chacun de ses terminaux, londe va tre r fl chie
plusieurs fois sur chacun des terminaux, faisant osciller la tension aux bornes de la charge (ringing)
comme le montre la figure 10. Les effets sur le signal peuvent tre :
(cid:1) Un retard l tablissement du signal
(cid:1) Des surtensions, sous-tensions et des oscillations pouvant conduire des erreurs
dinterpr tation des signaux re us.
C ble dimp dance
caract ristique Zc
Vincident
Iin
x
Vin
Vr fl chi
x=0
Vload
Vin
Vload
Si Zload ` Zc
temps
temps
Fig. 10 - Effet de la d sadaptation dimp dance sur le signal transmis
Exercice Probl me dadaptation de ligne : soit un c ble t l phonique de 1 m tre utilis pour
transmettre un signal binaire de fr quence F. A partir de quelle fr quence F faut-il prendre en compte
les effets de propagation de londe lectromagn tique.
R ponse :
A. Boyer
10
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
Un autre param tre essentiel est latt nuation du c ble li e aux diff rentes pertes (ex : les
pertes dans le di lectrique). Cette att nuation augmente en g n ral avec la fr quence. Un c ble coaxial
standard pr sente des pertes typiques de 0.3 dB/m 100 MHz et 1 dB/m 1 GHz. Cette att nuation
limite lutilisation de communications filaires pour de longues distances.
2. Communication optique filaire
Les fibres optiques sont des guides pour les ondes lectromagn tiques dont les fr quences sont
de lordre du spectre visible. La lumi re est guid e le long dune fibre par r flexions multiples. La
figure 11 d crit la structure dune fibre optique ainsi que le principe de la propagation de la lumi re le
long de la fibre. Les 2 principaux avantages des fibres optiques sont leurs bandes passantes tr s
lev es (plusieurs dizaines de Gbits/s, voire quelques t rabits/s) ainsi que leurs faibles att nuations
(0.2 dB/km pour une longueur donde de 1550 nm). Th oriquement, les d bits dans les fibres optiques
devraient tre infinis, mais ils sont principalement limit s par les composants lectroniques des tages
de
transmission et de r ception. En outre, contrairement aux communications filaires et
radio lectriques, les fibres optiques sont insensibles aux perturbations lectromagn tiques externes
puisque ces derni res ne peuvent sy coupler. Inversement, le signal guid le long de la ligne ne peut
sortir que par lautre bout de la ligne, interdisant toute fuite du signal et assurant une s ret de
transmission tr s lev e. Elles introduisent tr s peu de distorsions sur le signal et permettent de r aliser
des multiplexages fr quentiels tr s efficaces. Enfin, elles subissent peu d chauffement par rapport aux
liaisons filaires lectriques ce qui am liorent leur fiabilit . Malgr tous ces avantages, les principaux
points n gatifs concernent la fragilit de fibres et de leurs connecteurs, ainsi que le co t dinstallation
et dentretien des r seaux en fibres optiques. Aujourdhui, la plupart des liaisons transoc aniques sont
r alis es par des fibres optiques puisque 80 % des communications longues distances sont effectu es
laide des 25 millions de kilom tres de fibres optiques enterr es ou submerg es.
Propagation du
signal
n1 > n2
Indice de r fraction n2
Indice de r fraction n1
10 200 m
CSur (silice, plastique)
Faisceau de
lumi re incidente
Gaine r fl chissante
Fig. 11 Guidage dun faisceau lumineux par une fibre optique
Le d bit record dune fibre optique a t obtenu par lop rateur japonais NTT Docomo, avec
1800 Go/s sur une de distance de 160 km.
Question : Soit une fibre optique de 100 km de long pr sentant une att nuation de 0.2 dB/km. Quelle
est la puissance restante du signal re u ?
R ponse :
A. Boyer
11
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
3. Radio communication
Les
radiocommunications utilisent
la propagation d'une onde
lectromagn tique dans l'atmosph re. Ce milieu est g n ralement r serv aux
transmissions par satellite ou par faisceaux hertziens ainsi qu'aux communications
mobiles. Le dispositif de base pour transmettre ou recevoir un signal travers le
canal radio lectrique ou hertzien est une antenne. Les lois de propagation travers
ce canal sont d termin es par les quations de Maxwell. Les radiocommunications
s tendent sur un spectre tr s large (de plusieurs KHz plusieurs GHz). La figure
12 pr sente loccupation du spectre radiofr quence.
MF
0.3 - 3MHz
HF
3 - 30MHz
VHF
30 - 300MHz
UHF
300 - 3000MHz
SHF
3 - 30GHz
EHF
30 - 300GHz
ILS
IEEE
802.11b
IEEE
802.11c
RFID
Radio AM
Radio FM
GSM
Radio OC
CB TV VHF
TV UHF
WiMAX
Publicité
GPS
DCS
UMTS
Radar
auto
Fr quence (Hz)
100K
1M
10M
100M
1G
10G
100G
Fig. 12 Occupation du spectre radiofr quence
RFID : 13.56MHz, 27.1MHz
Radio FM : 88-108MHz
TV : 54-72MHz, 76-88MHz, 174-216MHz,
470-806MHz
Applications commerciales : 434.3MHz
GSM : 890-915MHz (montant), 935-960MHz
(descendant)
DCS : 1800MHz
GPS :
1585.4MHz
UMTS : 1920-1980MHz, 2110-2170MHz
Wifi - IEEE 802.11b : 2460MHz
Wifi - IEEE 802.11c : 60 GHz
Bluetooth : 2400MHz
WIMAX (IEEE 802.16) : 2-11 GHz
1217.6-1237.6MHz,
1565.4-
Type
Paire torsad e
C ble coaxial
Fibre optique
Faisceaux
hertziens
Bande passante
>100KHz
>100MHz
>1GHz
D pend de la
fr quence de la
porteuse
>10MHz
Applications
T l phonie, LAN
T l vision, LAN
LAN, WAN
T l vision, t l phonie
mobile, LAN
Satellites
Tableau 1 - Les diff rents supports de transmission et
applications
GPS, WAN
Lavantage des radiocommunications par rapport aux autres supports de communication
(fialire, fibre optique) est le faible co t dinstallation dun r seau grande chelle, puisquil ne
n cessite pas dinstaller des supports physiques entre chaque nSud et terminaux du r seau, il suffit
dinstaller une antenne. N anmoins, il pr sente de nombreux inconv nients. Dabord, il sagit du mode
de transmission le plus soumis aux perturbations ext rieures et aux effets n fastes du support de
transmission. Par nature, le canal radio lectrique est variable dans le temps, impr dictible et
multichemin. Ensuite, les transmissions de donn es travers le canal radio lectrique ne peuvent pas
tre s curis es et nimporte quelle antenne adapt e la fr quence de transmission est susceptible de
capter le signal. Enfin, le canal radio lectrique subit de tr s fortes att nuations avec l loignement. En
A. Boyer
12
Canaux de transmissions bruit s
Septembre 2013
espace libre (sans obstacles), le mod le de propagation dune onde ne d pend que de la distance
s parant les 2 antennes et de la fr quence. L quation 4 donne lexpression th orique de latt nuation
de la puissance transport e en espace libre en fonction de la distance et de la fr quence. N anmoins,
dans un environnement r el, le cas id al de lespace libre ne peut sappliquer et on doit utiliser des
mod les de propagation plus complexes prenant en compte des r flexions, des diffractions, des
diffusions, des att nuations ainsi que la vitesse de d placement relatif du r cepteur par rapport
l metteur. De plus, le d placement du r cepteur ou de l metteur modifie chaque instant les
caract ristiques du canal de transmission. Enfin, dautres propri t s peuvent caract riser une antenne,
comme sa polarisation. En pratique, des mod les statistiques permettent destimer simplement les
att nuations en prenant en compte les obstacles dans diff rents types denvironnement (ville, milieu
rural, &). La figure 13 pr sente les att nuations radio calcul es partir de mod les plus complexes,
prenant en compte la nature de lenvironnement de propagation (mod le Okumara-Hata ou COST
231).
Att nuatio
n
=
p
4
d
l
2
=
p
4
f
d
c
2
( quation 4)
d : distance en m s parant l metteur du r cepteur. Cette quation suppose une propagation sans obstacles.
f : fr quence du signal en Hz
: longueur donde en m.
Fig. 13 Att nuation dun signal radiofr quence 950 MHz pour diff rents environnements
Question : Un t l phone mobil GSM met pleine puissance (2 W) une fr quence de 950 MHz. Le
seuil de r ception de la station de base du r seau t l phonique est de -102 dBmW. Quelle est
latt nuation maximale que peut subir le signal mis par le t l phone. Quelle est la port e th orique
de cet metteur dans lhypoth se dun espace libre ? Dans un milieu rural ? Dans un milieu urbain ?
R ponse :
A. Boyer
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Comme dans une liaison filaire les probl mes dadaptation dimp dance se posent aussi pour
les liaisons radiofr quences, en entr e et en sortie des antennes d mission et de r ception. Pour
optimiser le transfert, les liaisons entre l metteur-r cepteur et lantenne doivent tre adapt es autour
de leurs fr quences de r sonance. Limp dance caract ristique et la fr quence de r sonance dune
antenne sont principalement li es la g om trie et la disposition de lantenne dans son
environnement.
Cependant, une antenne diff re dun c ble puisque londe ne se propage pas le long dun
circuit bien d fini mais dans plusieurs directions dans lespace. Certaines antennes peuvent mettre de
mani re quasi uniforme dans toutes les directions (on parle dantenne omnidirectionnelle, comme les
antennes fouet), alors que dautres dans une direction bien pr cise (antenne directionnelle comme une
antenne parabolique). On caract rise cette facult concentrer plus ou moins l mission sur une zone
de lespace par la directivit , ou bien par le gain de lantenne pour comparer la puissance rayonn e
par une antenne donn e dans une direction par rapport une antenne de r f rence, le plus souvent
omnidirectionnelle. La figure 14 pr sente un exemple de diagramme de rayonnement dune antenne.
Le choix dune antenne directive d pend de la couverture d sir e de lespace environnant.
Fig. 14 Diagramme de rayonnement dune antenne log p riodique
4. Comparaison des port es
Les liaisons filaires, optiques et radio subissent des att nuations tr s diff rentes. La figure 15
pr sente une comparaison des att nuations en fonction de la distance s parant l metteur du r cepteur
pour ces 3 types de canaux de transmission. Le canal radio est celui qui pr sente latt nuation la plus
importante, alors que les fibres optiques constituent le support qui introduit le moins datt nuation.
N anmoins, les liaisons radiofr quences permettent de construire des r seaux de communication
conomique et sont les seuls autoriser la mobilit des metteurs-r cepteurs.
Fig. 15 - Comparaison de latt nuation du signal pour diff rents supports de communication
A. Boyer
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5. Autres supports de transmission dinformation
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