Liens optiques satellite-sol avec optique adaptative

Choix de la longueur d’onde

   La majorité des liens de communication en espace libre s’effectue soit dans le proche infrarouge (750 nm à 1450 nm), soit dans le court infrarouge (1400 nm à 3000 nm) et plus spécifiquement sur la plage de longueurs d’onde allant de 1530 nm à 1560 nm [Kaushal and Kaddoum, 2016]. Dans le cas des communications sol-espace et entre satellites, 3 longueurs d’onde sont privilégiées : 800 nm, 1064 nm et 1550 nm. De nos jours, les réseaux de communication par fibre optique utilisent très largement l’intervalle de longueur d’onde autour de 1550 nm pour les transmissions longues distances. En choisissant la longueur d’onde λ = 1550 nm, il est ainsi possible de mettre à profit pour les applications en espace de libre, les composants électro-optiques développés, déjà adaptés aux transmissions très haut débit [Agrawal, 2012]. Par ailleurs, les faibles longueurs d’onde sont plus impactées par la turbulence atmosphérique. De plus, cette longueur d’onde se situe dans une fenêtre de transmission favorable pour traverser l’atmosphère [Hemmati, 2009]. On prendra soin également de tenir compte de l’impact de la transmission atmosphérique et en particulier des raies d’absorption atmosphériques lors du choix de la grille de fréquences utilisée pour les transmissions WDM (Wavelength Divison Multiplexing) [Artaud et al., 2019].

Intérêt des liens optiques par rapport aux liaisons radiofréquences

   L’intérêt des liens optiques par rapport aux transmissions RF repose sur la grande différence de longueur d’onde entre les deux méthodes et sur la forte directivité des faisceaux optiques. En prenant l’exemple de la bande Ka en RF (pour une fréquence porteuse d’environ 35 GHz), la bande passante est proche de 500 MHz. Ainsi, en optique pour λ = 1550nm, soit une fréquence porteuse ≈ 200 THz, la bande passante peut être jusqu’à 1000 fois supérieure [Williams et al., 2007]. De plus, le spectre RF est fortement contraint et réglementé afin de réduire les probabilités d’interférences entre les transmissions. La directivité des faisceaux optiques prévient de ce type d’interférences et il n’y a donc pas de restriction sur l’utilisation des fréquences et bandes passantes qui sont libres de droits. La forte directivité augmente aussi la sécurité des liens rendant plus difficile l’interception ou le blocage intentionnel d’une transmission que pour les liaisons RF. La divergence de l’onde étant proportionnelle à la longueur d’onde, l’utilisation d’une longueur d’onde courte permet de limiter les pertes géométriques au prix d’exigences fortes sur la précision du pointage. Bien que cette fonction de pointage représente un défis, pour certaines applications compatibles (mobile lent, position bien connue) le gain en poids, en encombrement et en débit apporté par les liaisons optiques en font une solution d’avenir pour le très haut débit en espace libre.

Détection d’un signal modulé en phase

   Cependant, cette méthode de réception incohérente peut aussi permettre de détecter des signaux modulés en phase, d’intensité uniforme, au format DE-BPSK par exemple, grâce à un montage interférentiel comme illustré en figure 1.8. Un interféromètre de Mach Zehnder est placé en amont de la photodiode et divise le signal reçu en 2 voies. L’un des bras de l’interféromètre, celui du bas sur le schéma, est plus long que l’autre afin d’introduire un retard d’un temps symbole T par rapport à l’autre bras. Ainsi, le champ ERX(t) est couplé à sa version retardée d’un temps symbole ERX(t−T) en sortie de l’interféromètre. Ce mélange induit la formation d’interférences constructives et destructives entre les deux symboles adjacents, le symbole retardé servant de phase de référence [Winzer, 2003]. Le montage se termine généralement par une détection équilibrée constituée de deux photodiodes afin d’exploiter les deux sorties complémentaires du Mach Zehnder pour reconstituer le saut de phase dans le photocourant produit en sortie.

Comparaison des méthodes de détection

   La détection directe, moins contraignante à mettre en oeuvre que la détection cohérente, a été privilégiée dans les liens de communication par fibre optique pendant de nombreuses années, mais aussi dans les premières expérimentations de lien de communication sol-espace [Arimoto et al., 1995] [Alonso et al., 2004]. La détection cohérente est plus exigeante, car elle nécessite notamment l’utilisation d’un oscillateur local, d’un mélangeur cohérent ainsi que de méthodes de synchronisation afin de récupérer l’information encodée sur la phase du signal reçu. Elle permet en revanche d’utiliser des formats de modulation à grand nombre d’états mettant à profit la phase et l’amplitude de l’onde optique et présente une meilleure sensibilité qui est d’autant plus visible avec l’augmentation du nombre de bits codés par symbole (voir tableau 1.2). De plus, le mélange de l’onde optique incidente avec l’oscillateur local rend le système plus sélectif en fréquence et renforce sa robustesse à la lumière ambiante notamment provenant du soleil [Leeb, 1989] contrairement à la détection directe qui va capter la lumière sur un large spectre en l’absence de filtrage optique. Même si la détection homodyne présente une meilleure sensibilité pour la modulation BPSK comparée à la détection intradyne ou hétérodyne, elle n’est en pratique pas utilisée, car elle ne permet de détecter que la partie réelle du signal et qu’elle nécessite des techniques précises de synchronisation optique pour maintenir l’oscillateur local à la même fréquence que le signal reçu [Kikuchi, 2010]. La détection intradyne nécessite l’utilisation de deux détecteurs équilibrés contrairement à la détection hétérodyne qui n’en demande qu’un seul. Dans les deux cas, la sensibilité est la même lorsque le bruit additif dominant est le bruit de photons mais aussi lorsque le bruit dominant est un bruit de battement entre l’oscillateur local et un bruit d’émission spontanée amplifié lié à un amplificateur EDFA [Ip et al., 2008]. Cependant, le principal avantage du détecteur intradyne est qu’il nécessite en théorie moitié moins de bande passante du photodétecteur que la détection hétérodyne. Avec l’apparition des systèmes de traitement numérique du signal rapide [Savory, 2010], la détection intradyne s’est largement imposée dans les systèmes de communication par fibre optique par sa meilleure efficacité spectrale pour favoriser les méthodes de multiplexage en longueur d’onde afin d’augmenter les débits de transmission de données. Pour les systèmes de communication en espace libre, les modalités de détection hétérodyne ont été étudiées par [Anzuola Valencia, 2015] dans le cas des liens sol-satellite. Les méthodes intradynes sont aussi envisagées pour mettre à profit les technologies existantes de traitement du signal développées pour les réseaux par fibre optique en particulier pour les liaisons sol-espace [Conroy et al., 2018] mais aussi pour les liens inter-satellites [Schaefer et al., 2016] [Araki, 2016]. Dans cette étude, nous retenons le schéma de détection cohérente composée d’un détecteur intradyne assistée par une méthode de synchronisation numérique afin de réduire l’écart en fréquence et en phase entre l’onde optique provenant du satellite et l’oscillateur local. Nous avons fait ce choix compte tenu des technologies disponibles issues du domaine des communications par fibres optiques, qui a beaucoup investi dans le développement de systèmes de traitement numériques [Savory, 2010]. La structure générale du système de traitement numérique du signal est introduite dans la section suivante.

Turbulence atmosphérique

   L’atmosphère est composé de gaz de températures différentes qui se mélangent sous l’effet de la gravité et d’échanges thermodynamiques. Ce mélange donne lieu à des mouvements turbulents : la turbulence atmosphérique. Il induit des variations locales d’indice de réfraction qui dégradent la cohérence spatiale d’une onde optique qui s’y propage. Ce phénomène, communément appelé turbulence optique, induit des perturbations de l’amplitude et de la phase de l’onde optique propagée. Une description physique a été proposée par Kolmogorov [Kolmogorov, 1941] qui permet de décrire les propriétés statistiques des variations spatiales de l’indice de réfraction. Dans cette théorie dite théorie des cascades d’énergie de Kolmogorov, l’énergie initiale injectée dans les plus grands tourbillons est transmise sous forme d’énergie cinétique à de plus petits tourbillons jusqu’à ce que la dimension des tourbillons soit telle que les transferts d’énergie soient dominés par les frottements visqueux au sein du milieu, l’énergie résiduelle étant dissipée sous forme de chaleur. Le domaine inertiel définit le domaine des dimensions spatiales pour lequel la turbulence est pleinement développée. Dans ce domaine, on peut supposer l’atmosphère stationnaire spatialement et temporellement et donc adopter une description statistique. Cet intervalle est délimité par les fréquences spatiales 1/L0 et 1/l0 avec respectivement L0 l’échelle externe, directement liée à la taille des plus grands tourbillons, et l0 l’échelle interne, qui traduit la dimension des tourbillons les plus petits. Les valeurs prises par l’échelle externe dépendent des éléments qui déterminent la taille des plus grands tourbillons : la proximité du sol, le relief et la nature du sol, le couvert végétal et dans la partie supérieure de l’atmosphère (au delà des premiers kilomètres) les principaux courants d’air. Les valeurs prises s’étendent donc de quelques mètres au voisinage du sol, à plusieurs dizaines de mètre dans la partie supérieure de l’atmosphère [Maire, 2007]. La taille de l’échelle interne peut varier de quelques millimètres jusqu’à plusieurs centimètres dans la tropopause.

Performance en présence d’un défaut de synchronisation

   Le TEB est calculé après convergence de la boucle d’optique adaptative et de la PLL, dans le cas du système en boucle fermée. Les courbes simulées sont comparées à celles illustrant l’impact des fluctuations d’amplitude sur la performance en TEB pour un signal sans défaut de synchronisation, présentées au début de la section 5.2.3 et à l’expression (1.36) sans turbulence ni défaut de synchronisation. La figure 5.9 présente l’évolution du TEB simulé en fonction de ES/N0 en présence de turbulence atmosphérique et après correction par optique adaptative avec la méthode basée sur la PLL numérique. On remarque que la performance obtenue après correction d’un écart en fréquence initiale ∆f = 100 MHz par le système proposé est identique au TEB simulé sans défaut de synchronisation. Ainsi, la pénalité en RSB, de l’ordre de 0.6 dB à 10-4, est uniquement liée aux fluctuations de l’amplitude du signal. La performance en présence de turbulence, de bruit de phase laser et d’un résidu de porteuse ∆f = 100 MHz est tracée en rouge. On note une pénalité de 0.1 dB par rapport à la performance en l’absence de bruit de phase laser à 10-4. La pénalité induite par le bruit de phase laser est ainsi proche de la pénalité maximale imposée par la méthode de conception décrite en section 3.5 sur la seule base du bruit de phase laser.

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Table des matières

Introduction
1 Chaîne de communication cohérente pour les liens satellite-sol 
1.1 Contexte liens optiques hauts débits satellite – sol
1.1.1 Intérêts et limitations
1.1.2 Communications optiques en détection cohérente en espace libre
1.2 Émetteur
1.2.1 Encodage différentiel
1.2.2 Modulateur électro-optique
1.3 Méthodes de détection d’un signal optique BPSK
1.3.1 Détection directe
1.3.2 Détection cohérente
1.3.3 Sensibilité et probabilité d’erreur
1.3.4 Comparaison des méthodes de détection
1.4 Récepteur numérique
1.4.1 Synchronisation grossière
1.4.2 Synchronisation rythme
1.4.3 Synchronisation fine en fréquence et en phase
1.5 Établissement d’un modèle de signal discret
1.5.1 Turbulence atmosphérique
1.5.2 Sources Laser
1.5.3 Décalage en fréquence par effet Doppler
1.5.4 Modèle de signal discret
1.6 Conclusion
2 Impact de la propagation à travers la turbulence et de la correction par optique adaptative
2.1 Propagation d’une onde optique à travers la turbulence atmosphérique
2.1.1 Turbulence atmosphérique
2.1.2 Modélisation de la propagation par la méthode des écrans de phase
2.1.3 Conditions de turbulence
2.2 Optique adaptative
2.2.1 Principe de fonctionnement
2.2.2 Modélisation de la correction par optique adaptative
2.2.3 Établissement d’un budget d’erreurs
2.2.4 Exemple de budget d’erreurs d’un système d’optique adaptative
2.3 Impact de la turbulence sur le couplage complexe
2.3.1 Définition du couplage complexe
2.3.2 Exemples de séries temporelles de flux couplés et de bruit de phase turbulent
2.4 Bilan de liaison
2.4.1 Gains d’antenne
2.4.2 Atténuations du signal au niveau des modules d’émission et de réception
2.4.3 Pertes liées à la propagation en espace libre
2.4.4 Marge sur la puissance reçue
2.5 Conclusion
3 Méthode de synchronisation fine du décalage en fréquence et en phase par boucle à verrouillage de phase numérique 
3.1 Critère d’estimation aveugle en boucle fermée de la phase en présence de modulation BPSK
3.2 Structure de la boucle
3.2.1 Détecteur de phase
3.2.2 Filtre de boucle
3.2.3 Oscillateur contrôlé numériquement (NCO)
3.3 Principe de fonctionnement d’une boucle à verrouillage de phase du second ordre
3.3.1 Etude du comportement de la boucle en régime d’acquisition
3.3.2 Étude en régime linéaire
3.4 Influence du bruit sur le fonctionnement de la boucle
3.4.1 Bande équivalente de bruit
3.4.2 Précision de l’estimation
3.4.3 Temps moyen avant saut de cycle
3.4.4 Impact du bruit de phase laser sur la précision de correction
3.5 Méthodologie de conception d’une PLL numérique pour les liens satellite-sol
3.5.1 Détermination des paramètres de la PLL
3.5.2 Validation numérique
3.6 Conclusion
4 Méthodes d’estimation aveugle en boucle ouverte du décalage en fréquence et en phase en présence de modulation BPSK 
4.1 Principe de l’estimation aveugle en M-PSK
4.2 Estimation conjointe en aveugle du décalage en fréquence et en phase
4.3 Estimation fine du décalage en fréquence
4.3.1 Méthode d’estimation basée sur la transformée de Fourier
4.3.2 Méthode d’estimation par différence de phase
4.3.3 Comparaison des deux estimateurs de décalage en fréquence
4.3.4 Impact d’une accélération Doppler
4.4 Estimation fine du décalage en phase
4.4.1 Principe de fonctionnement de l’estimateur de Viterbi-Viterbi
4.4.2 Impact d’un bruit de phase laser sur la performance
4.4.3 Impact d’un résidu de fréquence
4.4.4 Impact sur le taux d’erreur binaire
4.5 Etude de la mise en cascade de l’estimateur de fréquence avec l’estimateur de phase
4.5.1 Précision de l’estimation
4.5.2 Performance en taux d’erreur binaire
4.5.3 Choix de l’estimateur en fréquence
4.5.4 Comparaison avec la méthode par boucle à verrouillage de phase
4.6 Conclusion
5 Impact de la turbulence atmosphérique sur la synchronisation fine phase et fréquence en présence de correction par optique adaptative
5.1 Adaptation de la PLL aux fluctuations d’amplitude
5.2 Performances mesurées dans le scénario de turbulence A
5.2.1 Temps de convergence de la PLL
5.2.2 Précision de l’estimation .
5.2.3 Impact sur la performance
5.3 Performances mesurées dans le scénario de turbulence B
5.3.1 Précision de l’estimation
5.3.2 TEB en présence d’un défaut de synchronisation
5.4 Synthèse comparative des deux solutions de synchronisation
5.4.1 Précision de la synchronisation en présence de turbulence
5.4.2 Impact du bruit de phase turbulent
5.4.3 Impact sur la performance TEB
5.5 Conclusion
Conclusion

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