Bruits et interférences électromagnétiques

Un système de communication transporte l’information d’une source à une ou plusieurs destinations via un support de transmission. Dans ce chapitre, les éléments qui forment un système de communication numérique ainsi que les principaux phénomènes affectant sa performance sont décrits.

Codage et décodage source

Si les signaux à transmettre sont analogiques, des opérations d’échantillonnage et de quantification sont nécessaires. Le codage source consiste à représenter l’alphabet source en alphabet binaire tout en supprimant la redondance et en optimisant au maximum la longueur des mots de code. À la réception, le décodeur source fait l’opération inverse pour reconstruire la séquence d’information originale.

Dans notre travail, nous considérons que les éléments binaires à la sortie du décodeur source sont indépendants et identiquement distribués.

Codage et décodage canal

Le canal de transmission n’étant pas parfait, les signaux transmis subissent des distorsions causées par les interférences, le bruit et les phénomènes de propagation. Le codage canal est appliqué pour réduire les effets de ces distorsions en ajoutant des bits de redondance et en appliquant des règles de combinaison sur les bits d’information. Sachant la loi de codage utilisée, le décodeur canal du récepteur soustrait les bits de protection et corrige certaines erreurs. Parmi les méthodes de codage canal, on cite : le codage de Hamming (Hamming, 1950), les turbos codes (Berrou et al., 1993), etc. Le codage canal permet une communication plus fiable mais avec une augmentation de l’utilisation de la largeur de bande. Toutefois, le gain de codage compense cette sur-utilisation.

Modulateur et démodulateur

Pour que les séquences binaires à la sortie du codeur canal puissent être transmises, il faut les convertir en des ondes de transmission. Cette opération est effectuée par le modulateur. Les bits sont regroupés dans des symboles, chaque symbole prend une forme d’onde l’identifiant d’une façon unique. Plusieurs types de modulations peuvent être effectués, notamment la modulation par déplacement d’amplitude (Amplitude-shift keying (ASK)), la modulation par déplacement de fréquence (Frequency-shift keying(FSK)) et la modulation par changement de phase (Phase shift keying PSK).

Canal de transmission

Un canal de transmission véhicule le signal physique de la source à une destination. Dans une communication sans fil, le signal est une onde électromagnétique. L’onde propagée dans le canal est susceptible de subir des perturbations aléatoires sous plusieurs formes : atténuations, déphasage, multi-chemin ce qui mène au phénomène d’évanouissement du signal. Ces phénomènes sont classifiés suivant deux catégories : les évanouissements à grande échelle et les évanouissements à petite échelle.

La puissance du signal varie non seulement en fonction de la distance, mais aussi en fonction des obstacles tout au long de sa trajectoire. Ceci est connu par le phénomène d’ombrage (shadowing). Ce dernier est un phénomène généralement considéré aléatoire. Deux récepteurs éloignés à même distance de l’émetteur peuvent expérimenter des effets d’ombrages différents.

Les évanouissements à petite échelle

Une onde électromagnétique qui se propage d’une source à une destination interagit avec les obstacles (bâtiments, forêts, voitures, etc.) rencontrés sur son parcours suivant différentes façons. Plusieurs phénomènes de propagation apparaissent suite à ces interactions, notamment : la diffraction, la diffusion et la réflexion. La différence entre ces phénomènes réside dans la relation entre la longueur d’onde du signal et les dimensions de l’objet rencontré. Si la dimension de l’obstacle est inférieure à la longueur d’onde, on parle de diffraction, par exemple lorsque l’onde rencontre des surfaces pointues. Si la surface rencontrée est lisse et de dimensions supérieures à la longueur d’onde, des réflexions sont produites. La diffusion se produit lorsque la surface rencontrée possède une rugosité voisine ou inférieure à la longueur d’onde du signal.

Techniques de diversité

Les techniques de diversité permettent de combattre et même exploiter les évanouissements du canal. En effet, il est possible que le récepteur reçoive plusieurs répliques du signal transmis dont chacune des copies arrive par un trajet différent et ayant subit un évanouissement indépendant. Dans ce cas, il est probable que l’une de ces copies présente un faible évanouissement à un instant donné. Ainsi, on peut avoir au moins une copie du signal transmis qui n’a pas subi une forte atténuation. La diversité peut être présente selon différentes formes : temporelle, spatiale et fréquentielle.

Diversité temporelle
La diversité temporelle se manifeste dans le cas d’un canal sélectif en temps. Une façon d’appliquer cette diversité est d’appliquer l’entrelacement. Les symboles d’un même mot de code sont envoyés à des instants séparés au minimum par le temps de cohérence, ainsi chaque symbole voit une réalisation différente du canal.

Diversité fréquentielle
La diversité fréquentielle se manifeste dans le cas d’un canal sélectif en fréquence. Pour exploiter cette diversité, le même signal est transmis sur différentes fréquences. Pour avoir des évanouissements indépendants pour chaque signal transmis, les fréquences utilisées doivent être séparées d’un intervalle au moins égal à la bande de cohérence Bc.

Diversité spatiale
Contrairement aux diversités temporelle et fréquentielle, la diversité spatiale ne nécessite pas la répétition du signal à transmettre. En effet, la diversité spatiale est obtenue lorsque le transmetteur et/ou le récepteur disposent de plusieurs antennes. Si les antennes sont suffisamment espacées, le canal peut présenter des évanouissements indépendants sur chacun des trajets. La distance minimale de séparation entre les antennes dépend de la fréquence et de l’environnement de propagation. Les systèmes à multi-antennes sont des outils qui permettent d’exploiter les multi-trajets et d’augmenter la capacité du système ainsi que sa couverture (Andrea, 2005). La combinaison des différents signaux reçus sur chaque antenne permet d’avoir un meilleur rapport signal à bruit (Signal to Noise Ratio SNR) et un meilleur taux d’erreur binaire (TEB).

En effet, il existe plusieurs techniques pour combiner les différents signaux reçus sur chaque antenne qui varient selon leur complexité et selon la performance obtenue. La plupart de ces techniques de combinaison sont linéaires, c’est-à-dire que la sortie de la combinaison est une somme pondérée de tous les signaux reçus. Une schématisation de la combinaison linaire est donnée par la figure 1.3. Pour la technique Selective Combining (SC), seulement le signal reçu ayant le SNR le plus élevé est choisit pour le décodage. Tous les signaux reçus par les autres antennes sont ignorés et ont des coefficients nuls. Pour la technique Maximum Ratio Combining (MRC), tous les signaux reçus sont combinés, mais pondérés différemment. Les poids attribués à chaque antenne sont choisis de sorte à maximiser le rapport SNR à la sortie du combinateur. La technique Equal Gain Combining (EGC) est un cas particulier où à toutes les antennes on attribue le même poids (Andrea, 2005).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SYSTÈME DE COMMUNICATION : GÉNÉRALITÉS
1.1 Introduction
1.2 Codage et décodage source
1.3 Codage et décodage canal
1.4 Modulateur et démodulateur
1.5 Canal de transmission
1.5.1 Les évanouissements à grande échelle
1.5.2 Les évanouissements à petite échelle
1.5.3 Sélectivité et cohérence du canal
1.5.4 Modélisation statistique du canal sans fil
1.6 Techniques de diversité
1.6.1 Diversité temporelle
1.6.2 Diversité fréquentielle
1.6.3 Diversité spatiale
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 BRUITS ET INTERFÉRENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
2.1 Introduction
2.2 Concepts du bruit et des interférences : généralités
2.2.1 Le bruit blanc Gaussien (BBG)
2.2.2 Les bruits non Gaussiens de type impulsionnel
2.3 Les bruits et les interférences dans les postes électriques à haute tension
2.3.1 Bruit de couronne et bruit de cavité
2.3.2 Décharges partielles
2.3.3 Les mesures des bruits impulsionnels
2.3.3.1 Mesures expérimentales des bruits impulsionnels dans les laboratoires
2.3.3.2 Les mesures des bruits et des interférences dans des postes électriques à haute tension
2.4 Modélisation des bruits impulsionnels : Revue de littérature
2.4.1 Le modèle de mélange Gaussien (Gaussian Mixture Models GMM)
2.4.2 Le modèle de Middleton
2.4.3 Le modèle Alpha stable symétrique
2.4.4 Les modèles de chaines de Markov
2.4.5 Modèle physique de (Au et al., 2015a)
2.4.6 Comparaisons des modèles
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 TECHNIQUES ET MÉTHODES DE RÉDUCTION DES BRUITS IMPULSIONNELS DANS LES SYSTÈMES DE COMMUNICATION SANS FIL
3.1 Introduction
3.2 Les récepteurs optimaux et sous optimaux pour les milieux corrompus par les bruits impulsionnels
3.2.1 Récepteurs optimaux et sous-optimaux
3.2.1.1 Récepteur MCA
3.2.1.2 Récepteur SαS
3.2.1.3 Récepteurs avec seuillage
3.2.2 Réduction des bruits impulsionnels par estimations itératives du bruit
3.2.3 Évaluation des performances des récepteurs optimaux et sousoptimaux
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 UTILISATION DES ANTENNES MULTIPLES POUR LA RÉDUCTION DU BRUIT IMPULSIONNEL
4.1 Introduction
4.2 Modélisation du bruit impulsionnel dans le contexte des antennes multiples
4.2.1 Approche mathématique
4.2.2 Approche physique
4.3 Hypothèse 1 : Interférences indépendantes sur les antennes réceptrices
4.3.1 Description du modèle
4.3.2 Le récepteur MRC
4.3.3 Le récepteur PDC
4.3.4 Simulations et discussions
4.4 Hypothèse 2 : Interférences dépendantes sur les antennes réceptrices
4.4.1 Modèle du système
4.4.2 Le récepteur proposé
4.4.2.1 Deux antennes à la réception
4.4.2.2 Plusieurs antennes à la réception
4.4.3 Simulations et discussions
4.5 Conclusion
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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