Technologie de communications à très large bande (UWB)

Quelques applications de l’UWB

L’UWB, à l’origine, était destiné pour des applications militaires et était appliqué dans le domaine du radar anticollision des véhicules, les systèmes d ‘imagerie radar comme le radar de pénétration de sol ou le radar d ‘imagerie à travers les murs.
Les radars à impulsions à très large bande utilisent des impulsions très courtes de l’ordre de quelques nanosecondes avec un spectre étendu qui va de quelques dizaines de MHz à quelques GHz. Ces propriétés confèrent a u radar UWB plusieurs avantages :
une brièveté des impulsions à fort contenu spectral. Cette caractéristique permet de mesurer une réponse transitoire de la cible très riche en information et de dissocier les différents échos en réception. Cette particularité fait que cette technique est très robuste en présence de multi-trajets.
un spectre large d ‘impulsions. Cela lui permet d ‘obtenir des résultats sur toute la bande à partir d’une mesure unique. Il lui procure également un fort pouvoir de détection puisqu’il couvre toute la bande.
une grande capacité de pénétration. La partie basse du spectre favorise la pénétration des ondes à travers des obstacles comme le sol, la végétation ou les murs.

Systèmes de communication ULB

L’UWB peut surtout être utilisée dans les systèmes de communication sans fil à courte portée. On imagine actuellement son emploi dans deux grandes familles d ‘applications dites respectivement « haut  » et « bas » débit. Da ns le domaine du bas débit (inférieur ou égal à 1 Mbit/ s), on imagine des réseaux de type réseaux de capteurs avec plusieurs applications possibles. En général, l’aspect localisation fait partie des services envisagés. D’un point de vue normatif, on parle a lors des travaux du groupe IEEE802. 15.4a . L’autre domaine important est l’ULB haut débit.
Il s’agit alors de mettre au point des systèmes de communication à courte distance (<10m) mais avec des débits très importants (environ 400 Mbit/s) . L’objectif est alors de remplace r tout un ensemble de dispositifs de communication de type « cordon vidéo » par exemple. Le groupe de normalisation correspondant était le groupe IEEE802.15.3a, mais ce groupe s’est dissous de lui-même après avoir constaté qu’il n’arrivait pas à trouver une solut ion de transmission, faisant le compromis des différentes propositions des membres du groupe. Une suite de ce groupe est actuellement le regroupement ECMA qui a pour but de définir une forme d ‘onde ULB haut débit.

Canal de propagation radioélectrique en milieu confinés

Dès 1855 , l’existence des ondes électromagnétiques a été déterminée de façon théorique par James Clerk Maxwell. À partir de 1886, le physicien Hertz, cherchant à démontrer que les ondes électromagnétiques se déplaçaient à une vitesse infinie, réalisa les premières expériences de propagation radioélectrique. Le circuit oscillant réalisé par Hertz consistait en la décharge de deux sphères métalliques qui se matérialisaient par une étincelle observée sur une boucle en circuit ouvert . Fait intéressant, nous constatons que le signal transmis par Hertz constituait, de par la nature impulsionnelle des ondes transmises, un signal à très large bande UWB . Par ailleurs, avec l’exploitation industrielle de la transmission radioélectrique, de nombreuses recherches ont été menées pour caractériser les mécanismes de propagation des ondes électromagnétiques, d ‘abord pour les signaux à bande fréquentielle étroite, puis pour les signaux à bande large.
Par définition un système de transmission radioélectrique permet de transformer un signal électrique émis s(t) en un signal électrique reçu r(t) par l’intermédiaire d’ondes électromagnétiques. Le canal de propagation correspond au système qui fait passer le signal s(t) au signal r(t) et tient donc compte des interactions entre les ondes électromagnétiques et leur environnement. A ce stade, il convient de faire la distinction entre le canal de propagation, qui représente les transformations des ondes électromagnétiques lors de leur propagation, et le canal de transmission, qui inclut également le diagramme de rayonnement des antennes utilisées.  Le canal de transmission est parfois assimilé au canal de propagation, mais cette distinction prend toute son importance lors de l’analyse de canaux à entrées et sorties multiples, ou Multiple Input Multiple Output (MIMO).

Modèles de canal radio UWB

Le développement de futurs systèmes de communication basés sur la technologie UWB nécessite une parfaite connaissance de tous leurs éléments constitutifs. Et tout particulièrement le canal de propagation, lequel impose des limites fondamentales aux performances de ces systèmes en termes de portée et de débit. Les choix de modulation, ainsi que les techniques d’émission et les stratégies de réception du signal UWB dépendent largement du comportement du canal de propagation dans les environnements d’utilisation potentielle.
Afin de réaliser des simulations du système complet et de dimensionner ces systèmes de façon optimale, les concepteurs ont recours à des modèles de canal. Ces modèles s’efforcent de répondre à un double objectif : celui de reproduire le comportement du canal radio le plus réalistement possible, tout en respectant une contrainte de complexité maîtrisée, afin de permettre les études et les simulations en un temps raisonnable. Il n’y a donc pas un seul modèle de canal pour un environnement donné, mais plusieurs modèles possibles, lesquels dépendent des phénomènes que l’on souhaite reproduire en simulation. Ainsi, certains modèles s’intéressent uniquement à l’affaiblissement en puissance, tandis que d’autres s’attacheront à reproduire les effets de fluctuations rapides ou les directions d’arrivée du signal.

Modulation DS-UWB

Il y a un certain plusieurs façons de modulation les transmissions DS-UWB pour permettre aux données d ‘être réalisée . Les limites strictes de densité de puissance imposées à toutes les transmissions UWB par la FCC signifient que la forme de la modulation appliquée doit être efficace. Celle-ci doit fournir les performances d ‘erreur optimale pour un niveau donné de l’énergie par bit. Le choix de la modulation affecte également le spectre de transmission UWB, et ce choix doit être pris en compte pour s’assurer que les limites de la densité spectrale ne sont pas dépassées.
Deux des formes les plus populaires de modulation utilisées pour la DS UWB sont la modulation d’impulsions en position (pulse position modulation) (PPM) et la modulation par déplacement de phase binaire (Binary Phase Shift Keying) (BPSK) . Celles-ci fournissent les meilleures performances en termes d’efficacité et de performance de modulation spectrale PPM. La modulation PPM code l’information en modifiant l’intervalle de temps et donc la position des impulsions. De son côté, la modulation BPSK inverse la phase de l’impulsion pour signifier les données à transmettre. C’est un renversement à 180 degrés. Comme les impulsions consistent en une tension initiale à la hausse ou à la baisse, le renversement est facile à réaliser. En regardant une impulsion sur un oscilloscope, il semblerait qu’une impulsion est soit dans le bon sens, soit complètement à l’envers. En plus de cette séquence directe peuvent être appliqué à la transmission.
Cela signifie que le signal reçu doit être en corrélation avec le code à séquence directe correcte pour être démodulé. Cela présente l’avantage que seul le destinataire prévu peut le démoduler.

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Table des matières

1 Introduction générale
1.1 Introduction
1.2 Problématique et motivation
1.3 Objectifs et méthodologie
1.4 Structure du mémoire
2 Technologie de communications à très large bande (UWB)
2.1 Bref historique
2.1.1 Définition d’un signal UWB
2.1.2 Régulation du spectre
2.1.3 Contraintes réglementaires de l’UWB
2.1.4 Formes d’ondes UWB
2.1.5 Modulation d’impulsion
2.1.6 Avantages et inconvénients de l’UWB
2.1.7 Quelques applications de l’UWB
2.1.8 Systèmes de communication ULB
3 Canal de propagation pour l’UWB
3.1 Canal de propagation radioélectrique en milieu confinés
3.1.1 Espace libre
3.1.2 Trajets multiples
3.1.3 Variations du canal de propagation
3.2 Modèles de canal radio UWB
3.2.1 Modèle Cassioli-Win-Molisch
3.2.2 Modèles IEEE 802.15
3.2.2.1 Modèle IEEE 802.15.3a
3.2.2.2 Modèle IEEE 802.15.4a
3.2.3 Conclusion
4 Technique de transmission
4.1 Introduction
4.2 Concepts fondamentaux de MB-OFDM
4.3 Description du système MB-OFDM
4.3.1 Modèle de signal
4.3.2 Découpage du spectre UWB
4.3.3 Architecture de MB-OFDM
4.4 Avantages et désavantages
4.5 Concept de DS-UWB
4.6 Modulation DS-UWB
4. 7 Stratégie d’acquisition modulaire du signal UWB
4.8 Présentation de la technique
4.9 Corrélateur fréquentiel
4.10 Système d’acquisition rapide
4.11 Conclusion
5 Conception du système de communication UWB
5.1 Générateur du signal UWB
5.2 Structure et paramètres du système d’acquisition rapide DS-UWB proposé
5.2.1 Numérisation du signal UWB en Bande de base
5.2.2 FFT à structure optimale
5.3 Outils de modélisation et simulation
5.3.1 Matlab (Simulink)
5.3.2 Xilinx
5.3.3 FPGA
5.4 Conception
5.5 Résultats
5.5.1 Modulations 8PSK et DPSK
5.5.2 Scénario : Transmission des donnés Sans perte
5.6 Détection de distance
6 Conclusion générale
6.1 Introduction
6.2 Perspectives et recommandations

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