Canaux de transmissions bruités

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Canaux de transmissions bruités

Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse · Telecommunications, Signal Processing · course

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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

[email protected]

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

2

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

Septembre 2013

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

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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

7

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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

8

Canaux de transmissions bruit s

Septembre 2013

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)

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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

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Canaux de transmissions bruit s

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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 :

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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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