Caractéristiques du canal radio

Les télécommunications font partie des technologies qui ont révolutionné notre mode de vie. Les informations transmises étaient tout d’abord codées en morse, puis des techniques de modulation et de codage analogiques ont permis de transmettre du son, puis des images,…. Ensuite, la venue des techniques numériques a considérablement augmenté le débit et la qualité des informations à transmettre d’un point à un autre. Les équipementiers de télécommunications se sont alors lancés dans une course effrénée au développement de nouveaux systèmes.  Un des problèmes majeurs en télécommunications est d’adapter le spectre de l’information à transmettre au canal de transmission sur lequel elle sera émise. Cette tâche est effectuée par la modulation.

L’évolution des systèmes de communications numériques s’articule autour de plusieurs aspects : des besoins du haut débit, le caractère du terminal mobile, un contexte d’encombrement de la ressource spectrale. Les modulations à simple porteuse ne permettent pas de répondre d’une manière optimale à ces besoins pour le cas de transmission sur canal radio, en raison de la sélectivité en fréquence du canal et des multiples trajets que peut emprunter un même signal durant son émission. Pour le cas de la modulation multi-porteuse OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), l’information est répartie sur un grand nombre de porteuses modulées à un faible débit symbole. C’est pour cela que ces sous porteuses sont moins sensibles aux défauts du canal.

CANAL RADIO-MOBILE

Avant de parler le principe de la modulation multi-porteuse OFDM, on va donner quelques caractéristiques du canal radio pour lequel ce type de modulation est intéressant. Un canal radio est un canal aléatoire, à la fois dispersif en temps et en fréquence. La dispersivité en temps est due à la présence des trajets multiples, c’est-à-dire que le signal transmis est réfléchi par de multiples obstacles avant d’arriver au niveau du récepteur. Quant à la dispersivité en fréquence, elle provient du déplacement du récepteur par rapport à l’émetteur.

Caractéristiques du canal radio

Le canal radio est caractérisé par plusieurs phénomènes physiques :
-la réflexion du signal par un obstacle ;
-la réfraction du signal lorsque celui-ci traverse un milieu d’indice différent de celui d’où il provient ;
-la diffraction.

Tous ces phénomènes physiques entraînent des échos (propagation par trajets multiples due à la présence d’obstacles) pouvant engendrer des évanouissements (fadings) qui sont des « trous de transmission » résultant de l’annulation du signal à un instant et une fréquence donnée. Par conséquent, lorsqu’on est en réception fixe, portable ou mobile, la probabilité de recevoir uniquement une onde directe provenant d’un émetteur est très faible. On va donc recevoir le signal émis par l’émetteur ainsi qu’une multitude de signaux atténués et retardés provenant des différents échos.

Canal sélectif en fréquence

Un signal radiofréquence est émis sur un canal radio, qui constitue son support physique. Un canal est dit sélectif en fréquence lorsqu’il ne se comporte pas identiquement suivant la fréquence du signal. Il exprime le fait que le signal à transmettre a des composantes fréquentielles qui sont atténuées différemment par le canal de propagation. Certaines fréquences seront transmises plus rapidement que d’autres, ou encore seront atténuées plus que d’autres. Le signal sera alors déformé lors de la transmission : les données seront donc dispersées dans le temps, et pouvant mener à des interférences entre symboles.

Canal multi-trajets

La fonction de transfert d’un canal radio résultant d’une propagation à trajets multiples présente une réponse fréquentielle qui n’est pas plate, mais comporte des creux et des bosses dus aux échos et réflexions entre l’émetteur et le récepteur.

Or, un très grand débit impose une grande bande passante, et si cette bande couvre une partie du spectre comportant des creux, il y a donc perte totale de l’information pour la fréquence correspondante.

Fading

C’est le phénomène d’évanouissement, qui est dû par des variations aléatoires des phases du signal dans le temps (après réflexion sur un obstacle). Ces variations peuvent engendrer des signaux s’ajoutant de façon destructive en réception. Le signal résultant sera alors très faible ou nul. C’est aussi un affaiblissement progressif, sporadique ou prolongé d’un signal émis et qui ne varie pas en fonction de la fréquence. Il se manifeste par de la neige à l’image et du souffle dans le son. Le fading peut être causé par l’affaiblissement des signaux d’émission ou certaines perturbations atmosphériques ou électromagnétiques.

Interférence entre symboles ISI (InterSymbol Interference)

Soit Tm le plus grand des retards du canal de transmission à trajets multiples, appelé étalement des retards. Prenons un signal composé de symboles émis avec une période T . Si la durée des symboles est grande devant Tm , les symboles sont reçus sans interférences. Si la durée des symboles est petite devant Tm , les symboles interfèrent entre eux. Un canal de transmission a toujours une bande passante limitée et chaque symbole transmis est déformé et surtout étalé. A la réception les symboles successifs se trouvent en partie mélangés et leur identification peut devenir difficile.

Le phénomène de sélectivité en fréquence est aggravé par la présence de trajets multiples pour un même signal transmis. Du fait des nombreuses réflexions que le signal peut subir en environnement urbain, le récepteur recevra une série d’échos d’amplitudes et de retards variables. Cette problématique du canal à trajets multiples est critique dans le cas d’un canal radio-mobile, c’est-à-dire lorsque le récepteur et l’émetteur ne sont pas fixes relativement. Les différents échos et amplitudes variant dans l’espace, ils varieront dans le temps dans le cas d’un récepteur mobile.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1: CANAL RADIO-MOBILE
1. Caractéristiques du canal radio
1.1 Canal sélectif en fréquence
1.2 Canal multi-trajets
1.2.1 Modèle simplifié du canal multi-trajets
1.2.2 Canal multi-trajets et signal
1.3 Effet Doppler
1.4 Affaiblissement par trajets multiples
1.5 Fading
1.6 Interférence entre symboles ISI
2. Distorsion
3. Bruit
Bruit blanc
Chapitre 2: MODULATION NUMERIQUE
1. Généralité
2. Transport d’une information numérique sur une porteuse
2.1 Principe général
2.2 Les différents types de modulations numériques à porteuse unique
2.2.1 La modulation d’amplitude ASK
2.2.2 La modulation de phase PSK
2.2.3 La modulation en quadrature à x états (x-QAM)
2.2.4 La modulation par déplacement de fréquence FSK
3. Constellation
3.1 Constellation pour BPSK et QPSK
3.2 Constellation pour PSK pour M=8
3.3 Constellation pour le 16-QAM
3.4 Transformations du signal complexe en suite de bits de 16-QAM
Chapitre 3: OFDM
1. Historique
2. Présentation de l’OFDM
3. Principe de l’OFDM
3.1 Pourquoi multi-porteuses ?
Différence entre débit binaire et débit symbolique
3.2 Principe
3.3 Notion d’orthogonalité
3.4 Préservation de l’orthogonalité
Intervalle de garde
3.5 Principe de la modulation
Implémentation numérique du modulateur
3.6 Principe de la démodulation
Implémentation numérique du démodulateur
CHAPITRE 4: APPLICATIONS DE L’OFDM
1. Diffusion numérique vers les mobiles
1.1 Diffusion radio vers les mobiles
1.2 Diffusion TV vers les mobiles
1.2.1 DVB-T
1.2.2 DVB-H
2. Technologies sans fils Ethernet utilisant OFDM
2.1 WiFi
IEEE 802.11a
2.2 WiMAX
Principe de fonctionnement de WiMAX
WiMAX fixe et WiMAX mobile
3. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)
CHAPITRE 5: SIMULATION
CONCLUSION GENERALE

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