Communication par satellite

Antenne parabolique

Une antenne parabolique, communément appelée parabole, est une antenne disposant d’un réflecteur paraboloïdal, basé sur les propriétés géométriques de la courbe nommée parabole et de la surface nommée paraboloïde de révolution. Cette antenne, qualifiée d’universelle puisqu’elle fonctionne en théorie sur n’importe quelle fréquence ou longueur d’onde, est cependant seulement employée à partir de la bande L dès 1,1 GHz et lorsqu’un gain d’antenne élevé est recherché.

Communication par satellite

Un satellite artificiel est un engin construit par l’homme et placé en orbite autour d’un astre, en particulier de la Terre, par un système de transport spatial. Les satellites artificiels sont devenus des outils indispensables pour la science, la défense, les télécommunications et pour des applications aussi variées que la prévision du temps, la lutte contre la pollution ou le sauvetage de navigateurs en détresse.

Constitution d’un satellite

Un satellite de télécommunications se décompose en deux parties :
• La charge utile qui sert de relais de communication entre stations terriennes. Elle comprend deux sous-systèmes : les antennes et les répéteurs.
• La plate-forme, qui intègre les moyens logistiques indispensables à la mise en oeuvre correcte de la charge utile. Il s’agit des sous-systèmes de propulsion, de contrôle d’attitude et d’orbite, d’alimentation électrique, de contrôle thermique, de télécommande et de télémesure.

Constitution générale d’une liaison par satellite

Toute liaison satellite se décompose en deux parties :
• la liaison montante «Uplink », c’est-à-dire le transfert du signal depuis la station émettrice terrienne vers le satellite (terre / satellite).
• la liaison descendante « Downlink », c’est-à-dire le transfert du signal du satellite jusqu’à la station réceptrice terrienne (satellite /terre), nous avons donc deux bilans de liaisons distincts (bilan de liaison en voie montante et bilan de liaison en voie ascendante).

BILAN DE LIAISON

Introduction

Dans une liaison radioélectrique entre un émetteur et un récepteur le rapport de la puissance fournie par l’émetteur à la puissance disponible à l’entrée du récepteur dépend de plusieurs facteurs tels que les pertes dans les antennes ou dans les lignes de transmission qui les alimentent, l’affaiblissement dû aux divers mécanismes de propagation, les pertes dues à une mauvaise adaptation des impédances ou de la polarisation, etc.
L’atténuation ou l’affaiblissement est la diminution relative de la puissance d’un signal au cours de sa transmission, que ce soit dans les lignes de transmission ou dans la transmission hertzienne, est une grandeur importante dans les télécommunications.
Donc avant d’installer un système radiocommunication ou une liaison hertzienne, il est nécessaire d’effectuer le calcul de bilan de liaison. En effet ce calcul permet de déterminer si le niveau de puissance reçu par le récepteur sera suffisant pour que la liaison fonctionne correctement.

Bilan de liaison hertzienne

Définition

Le bilan de liaison (ou Link budget en anglais) est un outil fondamental pour dimensionner les puissances à mettre en jeu dans un canal de transmission.

Le bilan de liaison fait la somme de la puissance émise et de tous les gains et les pertes rencontrés jusqu’au récepteur, ainsi que les marges ajoutées par le concepteur, fournissant la puissance reçue par le récepteur. Celle-ci doit être supérieure au seuil de réception, lié au niveau de bruit du récepteur et du rapport signal à bruit minimal pour assurer une détection du signal et une qualité de services suffisante.
La figure ci-dessous présente un schéma général de principe d’une liaison hertzienne :
• Emetteur : Il est caractérisé par sa puissance émise PE.
Ici PE sera exprimée en dBm ou dBW. Ordre de grandeur : de quelques mW (0dBm) à plusieurs kW (> 30dBW).
• Liaison émetteur- antenne émission : Elle est généralement réalisée en câble coaxial. A plus haute fréquence (> quelques GHz), elle peut être réalisé en guide d’onde.
Elle est caractérisée par son atténuations LE , exprimée en dB.
Dans les petits systèmes, où tout est intégré (Wifi, téléphone mobile, etc..) cette liaison n’existe pas (LE = 0dB).
• Antenne émission : Elle est caractérisée par son Gain d’antenne GE, exprimé en dBi.
• Distance d : c’est la distance entre l’émetteur et le récepteur. On peut montrer (à partir du calcul de la sphère de l’antenne isotrope et de la définition du gain d’antenne), que la distance entre l’émetteur et le récepteur, introduit une atténuation AEL(pour atténuation en espace libre) égale à :
Liaison antenne réception- récepteur : Comme la liaison émetteur-antenne émission, la liaison antenne réception-récepteur est caractérisée par l’atténuation LR, exprimée en dB.
• Antenne réception : Elle est caractérisée par son gain d’antenne GR, exprimé en dBi.
• Récepteur : Le paramètre qui nous intéresse ici est PR, puissance reçue par le récepteur, est généralement exprimée en dBm.

Sensibilité d’un récepteur

La sensibilité d’un récepteur est l’amplitude du signal qu’il faut appliquer à son entrée pour obtenir à la sortie du démodulateur un rapport signal/bruit déterminé (transmission analogique) ou un taux d’erreur donné en transmission numérique (10-3 ou 10-6).

Expression de la puissance reçu

Une liaison radio est établie au moyen d’un émetteur de puissance PE équipé d’une antenne directive, de gain GE par rapport à une antenne isotrope, le récepteur est équipé d’une antenne directive de gain GR pointé vers l’émetteur. [38]
Si on néglige l’influence des obstacles, difficile à évaluer, on peut calculer la puissance reçue PR à l’entrée du récepteur grâce à la formule de Friis :

Condition de bon fonctionnement d’une liaison hertzienne

Pour qu’une liaison hertzienne fonctionne correctement, il faut que la puissance reçue soit supérieure à la sensibilité du récepteur. De plus, on prendra généralement une marge (on essayera d’avoir des dB en plus) pour tenir compte des atténuations supplémentaires qui peuvent être dues à des réflexions multiples ou à la météo (pluie, neige, brouillard, etc..).

Les zones de rayonnement d’une antenne

On distingue pour chaque type d’antenne trois zones de rayonnement :
• Zone de Rayleigh (ou zone de champ proche).
• Zone de Fresnel.
• Zone de Fraunhofer (ou zone de champ lointain)
Dans cette zone en considère la distance r grande par rapport à la longueur d’onde.

Liaison terrestre

Pour le calcul du bilan de liaison dans le cas terrestre, on appuie sur le bouton «OK», une boîte de dialogue va apparaître à l’écran (figure III.12) pour choisir entre un milieu sans ou avec obstacles.

Choix 1 « Milieu sans obstacle »

Sans des atténuations

Une nouvelle interface graphique (figure III.13) va apparaître.
En utilisant les équations (III.2) et (III.3) pour calculer la puissance reçue, on est amené alors à saisir les paramètres de l’équation de friis à savoir :
– Au niveau de l’émetteur : la puissance d’émission, le gain de l’antenne émettrice.
– Au niveau du récepteur : la sensibilité, le gain de l’antenne réceptrice.
– Les pertes de Feeder.
– La distance entre l’émetteur et le récepteur.
– La fréquence

Choix 2 « Milieu avec obstacle»

Sans des atténuations

Nous représentons dans la figure III.15 l’interface graphique qui permet de calculer la valeur du rayon de la zone de Fresnel à partir de l’équation (III.16) et la nouvelle puissance reçue (qui égal à la différence entre la valeur de la puissance reçu précédant et les pertes d’obstacle).
Pour cela nous avons choisis la méthode de Deygout pour la diffraction à plusieurs obstacles.

Choix 3 « Milieu avec ou sans obstacle»

Avec des atténuations

Que soit dans le milieu avec ou sans obstacle, en cliquant sur le bouton atténuations nous avons la même interface graphique qui va apparaître (figure III.16).

Exemples d’application

En utilisant les équations (III.7) et (III.8) on peut calculer le rapport de la puissance de la porteuse sur le bruit à l’entrée de récepteur voie montante, et le rapport signal sur bruit au niveau de la station terrienne réceptrice voie descendante. En utilisera l’équation (III.9) pour calculer la liaison totale.

Medium Earth Orbit (MEO)

Pour le premier cas on va choisir le type d’orbite MEO après cette choix on click sur le Botton « OK », on obtient une nouvelle interface graphique (Figure III.24).

Bilan de liaison d’un satellite MEO

Les tableaux III.5 et III.6 présentent respectivement les caractéristiques de la liaison montante et descendante d’un satellite MEO.

Etude avec la pluie

Pour le calcul de bilan de liaison descendante, on ajoute la pluie. Les résultats de calcule avec la pluie est comme suite :

Total

Le tableau suivante contient les résultats de rapport C/N dans les deux cas (avec et sans la pluie) dans le cas d’un satellite GEO

Etude sans la pluie

La figure ci-dessous illustre les résultats finals de bilan de liaison d’un satellite GEO dans le cas sans la pluie.

Etude avec la pluie

La figure ci-dessous illustre les résultats finals de bilan de liaison d’un satellite GEO dans le cas avec la pluie.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons calculé le bilan de liaison dans la cas d’un système de transmission par faisceau hertzien FH. Nous avons calculé la puissance reçu dans un milieu avec et sans obstacles, et nous avons déterminé la valeur du rayon de la zone de Fresnel. Le formalisme de calcul est basé sur l’introduction de tous les effets d’atténuations sur la puissance reçu. Plusieurs exemples de cas pratiques ont été étudiés et analysés.

Table des matières

INTRODUCTION GENERAL
CHAPITRE I INTRODUCTION A LA TRANSMISSION FH
I.1 Introduction
I.2 Un bref historique des télécommunications
I.3 Les supports de transmission
I.4 Faisceaux hertziennes
I.4.1 Définition
I.4.2 Les usages des faisceaux hertziens
I.4.3 Constitution
I.4.4 Types de faisceaux hertziennes
I.4.5 Caractéristique
I.4.6 Les modulations utilisées en FH
I.4.6.1 FH analogiques
I.4.6.2 FH numériques
I.4.7 Avantages/inconvénients
I.5 Qu’est-ce que la Radio
I.5.1 Principe d’une liaison radio
I.5.2 Comment faire pour que tout le monde puisse communiquer en même temps?
I.5.3 Comment garantir la confidentialité entre l’émetteur et le récepteur ?
I.6 Description des bandes de fréquences
I.7 Choix des fréquences porteuses
I.8 Description du système FH
I.8.1 Les antennes
I.8.1.1 Définition
I.8.1.2 Paramètres caractéristiques d’une antenne
I.8.1.3 Les types d’antennes
I.9 Communication par satellite
I.9.1 Constitution d’un satellite
I.9.2 Constitution générale d’une liaison par satellite
I.9.3 Services offerts par satellite
I.9.4 EXEMPLES D’APPLICATIONS
I.9.4.1 Orbite terrestre basse (LEO)
I.9.4.2 Orbite terrestre moyenne (MEO)
I.9.4.3 Orbite Terrestre Géostationnaire (GEO)
I.10 Aperçue sur le logiciel Bilan-TSat
I.10.1 Présentation de l’interface
I.11 Conclusion
CHAPITRE II L’ATTENUATION SUR LE BILAN DE LIAISON 
II.1 Introduction
II.2 Définition d’une atténuation
II.3 Affaiblissement de signal à la végétation
II.4 Affaiblissement dû aux gaz de l’atmosphère
II.4.1 Affaiblissement linéique
II.4.2 Evaluation approchée de l’affaiblissement dû aux gaz de l’atmosphère dans la gamme de fréquences 1-350 GHz
II.4.2.1 Affaiblissement linéique
II.4.3 Affaiblissement sur un trajet
II.4.3.1 Trajets terrestres
II.4.3.2 Trajets obliques
II.4.3.3 Trajets inclines
II.5 Hydrométéores
II.5.1 Affaiblissement de signal à la pluie, nuage et aux brouillards
II.5.1.1 Pluie
II.5. 1.2 Nuages ou de brouillard
II.6 Exemples de calcule
II.6.1 Cas 1 : Affaiblissement dû aux gaz de l’atmosphère
II.6.2 Cas 2 : Affaiblissement dû au nuage ou de brouillard
II.6.3 Cas 3 : Affaiblissement de signal à la pluie
II.6.4 Cas 4 : Affaiblissement de signal à la végétation
II.6.5 Affaiblissement Total
II.7 Conclusion
CHAPITRE III BILAN DE LIAISON 
III.1 Introduction
III.2 Bilan de liaison hertzienne
III.2.1 Définition
III.2.2 Sensibilité d’un récepteur
III.2.3 Expression de la puissance reçu
III.2.4 Condition de bon fonctionnement d’une liaison hertzienne
III.3 Les zones de rayonnement d’une antenne
III.3.1 Zone de Rayleigh
III.3.2 Zone de Fresnel
III.3.2.1 Méthode Deygout pour la diffraction à plusieurs obstacles
III.3.3 Zone de Fraunhofer
III.4 Bilan de liaison satellitaire
III.4.1 Bilan de Liaison pour la voie montante
III.4.2 Bilan de liaison pour la voie descendante
III.4.3 Bilan de liaison global
III.5 Température de bruit d’un système
III.5.1 Température de bruit d’une antenne de station sol
III.5.1.1 Ciel clair
III.5.1.2 Pluie
III.6 Calculs effectués et résultats
III.7 Les étapes d’application
III.7.1 L’interface de calculs
III.7.2 Présentation de l’interface
III.7.2.1 Liaison terrestre
III.7.2.2 Exemples d’application
III.7.2.3 Liaison satellitaire
III.7.2.4 Exemples d’application
III.8 Conclusion
CONCLUSION GENERAL
Bibliographie

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