Généralités sur la technique ULB et les applications visées

Le terme UWB (Ultra Wide Band en anglais) ou ULB (Ultra Large bande en français) désigne depuis plusieurs années des formes d’ondes sans porteuse, c’est à dire des signaux constitués d’impulsions très brèves qui occupent une très large bande [Barret 00]. Bien que les fondements de la technologie soient connus depuis le milieu des années 60, le terme ULB a été utilisé pour la première fois en 1989 par la défense américaine DoD (Department of Defence).

Plusieurs publications menées principalement par Bennet et Ross [Bennet 78] ainsi que Taylor [Taylor 95] présentent des études intéressantes sur l’émission et la réception d’impulsions en bande de base dont la durée est de l’ordre de la nanoseconde. Le premier brevet déposé en 1973 portant sur un système de communication à base de signaux ULB [Ross 73] a été suivi en 1974 d’une première commercialisation d’un radar de sol basé sur l’émission et la détection d’impulsions en bande de base [Morey 74].

Le domaine des systèmes de communications a connu une évolution remarquable depuis 1998 avec l’explosion de l’économie, de l’Internet et des télécommunications. Cette évolution est soutenue par le secteur industriel qui vise des débits toujours plus élevés avec une meilleure qualité de service. La technologie ULB, depuis son apparition à aujourd’hui, suscite un grand intérêt dans le domaine des communications grâce à sa très large bande qui donne la possibilité d’accéder à de très hauts débits avec une bonne résolution temporelle.

Principe de la technologie ULB 

La technologie Ultra Large bande (Ultra Wide Band) est fondée sur l’émission de trains d’impulsions très brèves occupant un spectre très large (de l’ordre de 1 à quelques GHz). La courte durée des impulsions émises (de l’ordre de 100 ps à 1ns) favorise une transmission robuste dans un canal multi-trajets.

Avantages et inconvénients de l’ULB 

Les avantages

L’ultra large bande offre les avantages suivants :
➤ Les signaux ULB ont une faible densité spectrale de puissance, étant donné que la puissance du signal est répartie sur une grande largeur de bande. Cette particularité confère aux systèmes utilisant l’ULB une faible probabilité de détection et d’interception [ElBahhar 03].
➤ Les signaux ULB interfèrent peu ou pas avec d’autres signaux, tels les signaux à bande étroite, car leur puissance est très faible sur la petite partie du spectre concernée. Donc leur utilisation permet de garantir une plus grande sécurité [Lamari 07].
➤ Les signaux ULB possèdent une bonne capacité de pénétration grâce à leur grande largeur de bande. Ils peuvent ainsi traverser des surfaces, telles que les murs, contrairement à d’autres technologies comme par exemple l’infrarouge [Pecastaing 01].
➤ Les signaux ULB souffrent très peu de l’influence des trajets multiples, car, grâce à la brièveté des impulsions ULB, le signal direct arrive bien avant ceux correspondant aux chemins secondaires, sans qu’aucun recouvrement ne se produise [Sakkila 09].
➤ Les systèmes basés sur la technologie ULB ont une meilleure capacité.

Les inconvénients 

Les systèmes de communication ULB présentent quelques limites que nous citons cidessous:

Les différentes composantes fréquentielles du signal ne se propagent pas à la même vitesse. Des phénomènes de dispersion en fréquence peuvent alors apparaître. Par exemple dans la bande de 0 à 3GHz, les ondes ne se propagent pas de la même vitesse surtout dans un environnement de propagation hétérogène [Elbahhar 03].

L’atténuation non uniforme des différentes composantes fréquentielles peut conduire à des phénomènes de distorsion en fréquence [Lombard 07].

Les signaux ULB sont filtrés par les antennes. Le défi est de concevoir des antennes de petite taille et efficaces sur toute la bande de fréquence utilisée (antenne ultra-large bande) [Lamari 07].

Le système ULB n’atteint pas pour le moment les performances des systèmes optiques à grands débits (de l’ordre de plusieurs Gbits/s).c’est ce problème qui sera abordé dans cette thèse : concevoir un système de communication ULB capable de transmettre des débits très élevés (> Gbits/s ).

La commercialisation des systèmes de radiocommunication ULB nécessite une réglementation et normalisation universelle au niveau des ressources en fréquence et en puissance.

Réglementation et normalisation de l’ULB 

Dans le cadre de divers services de radiocommunication, les organismes de gestion du spectre interviennent pour contrôler l’usage de la précieuse ressource spectrale, afin d’assurer la coexistence de tous les utilisateurs du spectre électromagnétique. Nombreux sont les travaux qui visent l’élaboration des normes et règlements pour l’introduction et l’utilisation des systèmes ULB à travers le monde. Les Etats-Unis sont les premiers à avoir traité le problème inédit de la réglementation de latechnique  . En 2002, la FCC a proposé un compromis entre le respect des applications existantes et l’autorisation de déploiement de nouvelle technologie ULB. Dans le reste du monde, les organismes de réglementation restent méfiants. En Europe, par exemple, il est envisagé d’imposer des contraintes sur les émissions des systèmes ULB plus strictes que la réglementation américaine.

Aux Etats-Unis 

En 1998, l’autorité de régulation FCC a lancé ses travaux sur l’ULB aux Etats-Unis [FCC 98]. En mai 2000, une première proposition de régulation est publiée Notice of proposed rule making qui aboutit au texte de régulation Report and arder [FCC 00]. En février 2002, la FCC publie son rapport nommé« First Report and Order » [FCC 02] qui réglemente des émissions ULB. Les règles de régulation du spectre ULB de la FCC permettant d’émettre des signaux principalement sur la bande en respectant une densité spectrale de puissance inférieure aux règles déjà en place pour les émissions radio non intentionnelles. La FCC définit un masque d’émission des signaux ULB pour les systèmes de communication pour des applications à l’intérieur (Indoor) et à l’extérieur (Outdoor). Ce masque est représenté dans la figure 1.3 ci dessous. La puissance de ces signaux est limitée dans la bande [3.1 GHz 10.6 GHz]. Dans toute bande de 1 MHz comprise entre 3.1 et 10.6 GHz, la puissance moyenne sur une durée inférieure à 1 ms ne doit pas dépasser -41.3 dBm!MHz. De plus, la FCC a défini le signal ULB étant un signal avec une bande de fréquence instantanée à -10 dB supérieure à 500 MHz ou un signal dont la largeur de bande relative à -10 dB est supérieure à 20% de la fréquence centrale.

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Généralités sur la technique ULB et les applications visées
1.1 Introduction
1.2 Principe de la technologie ULB
1.3 Comparaison aux autres standards
1.4 Avantages et inconvénients de l’ULB
1.4.1 Les avantages
1.4.2 Les inconvénients
1.5 Réglementation et normalisation de l’ULB
1.5.1 Aux Etats-Unis
1.5.2 En Asie
1.5.3 En Europe
1.6 Applications potentielles de la technologie ULB
1.6.1 Multimédia & domotique
1.6.2 Industrie et entreprise
1.6.3 Transport
1.6.4 Domaine médical
1. 7 Quelques projets ULB
1.7.1 MICS-UWB
1.7.2 WALTER
1.7.3 UCELLS
1.7.4 UWB-DOM0
1.7.5 EUWB
1.8 Conclusion
Chapitre 2
2.1 Introduction
2.2 Les différentes techniques de modulation
2.2.1 Modulation d’impulsions en position (PPM)
2.2.2 Modulation d’impulsions en amplitude (P AM)
2.2.3 Modulation par tout ou rien (OOK)
2.2.4 Modulation de phase (BPSK)
2.2.5 Modulation à M-états (M-BOK)
2.2.6 Modulation combinée (PAM/PPM)
2.2.7 Modulation par transmission de référence (TR)
2.3 Les différentes techniques de multiplexage
2.3.1 DS-CDMA (Direct Sequence- Code Division Multiple Access)
2.3.2 TH-CDMA (Time hopping- Code Division Multiple Access)
2.4 Association des modulations aux techniques d’accès multiple
2.4.1 PPM-TH-ULB
2.4.2 BPSK-TH-ULB
2.4.3 BPSK-DS-ULB
2.4.4 PPM-DS-ULB
2.5 Canaux ULB
2.5.1 Modèle IEEE 802.15.3a Indoor
2.5.2 Modèle IEEE 802.15.4a Outdoor
2.6 Introduction des récepteurs pour les systèmes ULB
2.6.1 Le récepteur cohérent
2.6.2 Récepteur non cohérent.
2.7 Conclusion
Chapitre 3
3.1 lntroduction
3.2 Formes d’ondes pour les systèmes de communications ULB
3.2.1 L’impulsion Gaussienne
3.2.2 L’impulsion monocycle
3.2.3 Formes d’onde orthogonales
3.3 Etude de la modulation de position (PPM)
3.3.1 Principe de la modulation PPM
3.3.2 Description de l’émetteur PPM
3.3.3 Description du récepteur PPM
3.3.4 Calcul du taux d’erreurs (BER)
3.4 Présentation de la modulation proposée PPM-Bipolaire
3.4.1 Description de l’émetteur PPM-Bipolaire
3.4.2 Description du récepteur PPM-Bipolaire
3.4.1 Calcul analytique de la probabilité d’erreur
3.4.2 Calcul du taux d’erreurs (BER)
3.5 Effets des interférences
3.5.1 Effet dujitter pour le système basé sur la modulation PPM
3.5.2 Effet dujitter pour le système basé sur la modulation PPM- Bipolaire
3.6 Conclusion
Chapitre 4 Mise en œuvre de nouvelles modulations IR-ULB haut débit (M-OAM)
4.1 Introduction
4.2 Modulation M-QAM
4.2.1 Principe
4.2.2 Propriétés des modulations QAM
4.3 Nouvelle approche aux modulations à haut débit pour les systèmes IR-ULB: Proposition des modulations M-OAM
4.3.1 Modulation 4-0AM
4.3.2 Modulation 16-0AM
4.3.3 La modulation 64-0AM
4.3.4 Comparaison des 3 modulations étudiées
4.4 Cas particuliers des modulations M-OAM
4.4.1 Modulation 8-0AM
4.4.2 Modulation 32-0AM
4. 5 Conclusion
Conclusion

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