Environnement des systèmes de radiocommunication

Transmettre de l’information d’un point à un autre sans-fil nécessite un système de radiocommunication. Ce système utilise le canal hertzien comme support physique. Au cours de sa propagation, l’onde transmise traverse différents types de canaux jusqu’à atteindre sa cible. Ces canaux affectent l’onde émise. Cela rend nécessaire l’étude des canaux de propagation. Les performances de transmission, comme on le montrera dans ce chapitre, dépendent considérablement des caractéristiques du canal. Selon les conditions d’observation, ces canaux peuvent être considérés comme statiques ou dynamiques. Nous présenterons dans ce chapitre les différentes modélisations d’un canal, ce qui permettra dans la suite de nos travaux d’appréhender le dimensionnement et la conception physique et logicielle de notre système de communication.

Propagation 

La propagation en espace libre 

Selon l’environnement de propagation, les influences du canal diffèrent. Le modèle d’espace libre permet d’avoir une première approche. L’espace libre peut être modélisé comme l’illustre la figure 1-1. Dans le cas d’une liaison en vue directe, connue aussi sous le terme LOS (Line Of Sight) entre l’émetteur et le récepteur, une ellipse appelée zone de Fresnel permet de cerner la validité du modèle espace libre dans un canal réèl. Effectivement, si cette zone n’est pas dégagée, le modèle n’est plus valable.

La propagation hors espace libre

Les situations les plus courantes de propagation des systèmes de radiocommunication sont loin d’être en espace libre. Les obstacles de différentes formes géométriques et de diverses caractéristiques physiques perturbent la propagation. Ces perturbations se traduisent par des fluctuations de la puissance du signal reçu en fonction de la distance comme l’illustre la figure 1-2. Les pertes en fonction de la distance et les effets de masquage [1] sont les phénomènes à l’origine de ces variations. La décroissance en 1/d est la principale perte de puissance. La densité de puissance se réduit au fur à mesure que l’onde s’éloigne de sa source jusqu’à atteindre l’antenne réceptrice. L’influence des obstacles rencontrés par l’onde varie selon leurs configurations.

En plus de la décroissance de la densité de puissance en fonction de la distance, entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception, le signal subit deux types de pertes : pertes à petite et grande échelle. Comme le décrit la figure 1-2, les pertes à grande échelle définissent les fluctuations de la puissance moyenne mesurées sur un déplacement de plusieurs dizaines de longueurs d’onde. Les fluctuations à petite échelle sont observées sur un déplacement suffisamment petit (quelques longueurs d’onde). La présence d’obstacles dans l’environnement de propagation causant l’apparition de différentes répliques du signal émis au niveau du récepteur est la cause principale de ces variations. Selon leurs phases d’arrivée au niveau de l’antenne, la somme de ces répliques peut être constructive ou destructive. C’est la source du phénomène d’évanouissement. Ces obstacles naturels (sol, arbres, bâtiments, etc.) se trouvent sur le trajet de l’onde. Il en résulte une multitude de trajets et donc, une multitude d’ondes retardées, atténuées et déphasées au niveau du récepteur.

Les phénomènes de base en propagation 

Les obstacles rencontrés par le signal lors de son trajet de l’antenne d’émission à l’antenne de réception agissent différemment sur le signal. En effet, différents phénomènes apparaissent selon la taille vis à vis de la longueur d’onde λ, de la nature et de la forme de ces obstacles [2]. La réflexion, la diffraction et la diffusion sont les trois principaux mécanismes qui perturbent le signal [3,4]. Ces phénomènes sont illustrés sur la figure 1-3, leur description est la suivante :

Réflexion/Réfraction: Les phénomènes de réflexion et de réfraction apparaissent lorsque l’obstacle rencontré par l’onde a une taille très supérieure et de très petites irrégularités devant la longueur d’onde du signal. Diffraction: Des phénomènes de diffraction apparaissent lorsque le chemin de propagation est obstrué par un obstacle imperméable aux ondes électromagnétiques. Les dimensions de cet obstacle doivent être faibles devant la longueur d’onde du signal ou l’obstacle possède des arêtes vives. L’énergie transmise par ces sources permet au signal de se propager dans les zones d’ombre, ce qui explique l’arrivée d’ondes radio au niveau du récepteur en l’absence de visibilité directe et d’interventions des autres types d’interactions. C’est une grande source de mutlitrajets. Diffusion: La diffusion apparaît s’il existe sur le trajet de l’onde une zone très dense d’objets de dimensions du même ordre de grandeur ou inférieures à la longueur d’onde. Le même phénomène est observé avec une surface rugueuse présentant des irrégularités suffisamment petites. L’influence de la position spatiale de l’obstacle est illustrée sur la figure 1-3. On distingue deux principaux types de réflecteurs : Diffuseurs locaux: Les diffuseurs locaux sont les obstacles proches de l’émetteur ou du récepteur. Au niveau du récepteur, les diffuseurs placés dans son voisinage occasionnent un grand étalement angulaire des échos et un étalement temporel faible. Les diffuseurs proches de l’émetteur introduisent de faibles étalements, temporel et angulaire. Diffuseurs lointains: Les diffuseurs lointains désignent les obstacles éloignés simultanément de l’émetteur et du récepteur. Ils donnent lieu à des trajets multiples généralement caractérisés par un fort étalement temporel.

Selon l’application envisagée, ces obstacles peuvent être considérés comme un avantage ou un inconvénient. Par exemple, lorsque l’émetteur et le récepteur sont en vue directe (LOS), la réflexion perturbe la liaison. Cependant, dans le cas du canal NLOS (Non Line Of Sight), la diffraction et la diffusion assurent la continuité de la liaison.

La propagation par trajets multiples

Les phénomènes précédemment présentés modifient le signal transmis. De nombreuses répliques de ce signal sont ainsi créées. Celles-ci sont plus ou moins retardées selon les longueurs des trajets effectués. Dès lors, elles sont plus ou moins atténuées selon la distance parcourue et selon les phénomènes de base rencontrés. A la réception, ces répliques se combinent de façon constructive ou destructive donnant naissance à des évanouissements, représentés sur la figure 1-2. Dans le cas du canal radiomobile, en supposant que les diffuseurs sont uniformément répartis sur [0 ; 2π[, ces évanouissements apparaissent statistiquement en moyenne tous les λ/2. Les systèmes de radiocommunications mobiles, que ce soit à l’intérieur ou l’extérieur des bâtiments, sont ainsi soumis aux distorsions induites par les trajets multiples. Cependant dans le cas NLOS, les trajets multiples évitent l’interruption de la liaison entre l’émetteur et le récepteur.

Les pertes moyennes hors espace libre 

Déduite de l’équation des télécommunications, l’équation 1 permet d’estimer les pertes dans le canal. Sauf que cette relation n’est valable que dans le cas d’espace libre. Dans un cas réel, c’est-à-dire hors espace libre, cette relation n’est plus exploitable. Ceci est principalement dû aux phénomènes qui apparaissent en présence d’obstacle. Le dimensionnement théorique du canal est très complexe. Cependant, des campagnes de sondage du canal ont permis d’élaborer des relations empiriques permettant d’estimer les pertes moyennes de puissance dans des canaux réalistes [1].

Le bruit radioélectrique 

Un signal radioélectrique est dit bruit s’il ne transporte pas l’information utile et perturbe la liaison. Il est considéré comme aléatoire. Le milieu de propagation ainsi que les dispositifs électroniques de l’émetteur et du récepteur sont respectivement ces origines externes et internes [2,5]. Les sources de bruits externes peuvent être de nature extra-terrestre ou terrestre. Elles regroupent les bruits et les parasites atmosphériques, les rayonnements divers captés par l’antenne, les interférences éventuelles entre les utilisateurs du milieu de transmission ou encore les bruits d’origine industrielle. Le bruit interne a pour origine le mouvement brownien des électrons présents dans les composants électroniques du récepteur. Ces électrons évoluent indépendamment les uns des autres tout en suivant une même loi. Le bruit interne peut alors être modélisé, d’après le théorème de la limite centrale [6], par un processus gaussien. Le bruit interne est considéré comme blanc, ce qui veut dire que sa densité de puissance est la même quelque soit la fréquence. Nous regroupons dans ce manuscrit tous les bruits résultant de différentes sources dans la notation N(t).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Environnement des systèmes de radiocommunication
Introduction
1.1 Propagation
1.1.1 La propagation en espace libre
1.1.2 La propagation hors espace libre
1.1.3 Le bruit radioélectrique
1.2 Canal de propagation
1.2.1 Modélisation du canal de propagation
1.2.2 Dispersions dans les canaux
1.2.3 La sélectivité des canaux
1.2.4 La diversité dans le canal
1.2.5 Capacité du canal
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre 2 Architecture et caractéristiques des Récepteurs Radio
Introduction
2.1 Modulation des signaux
2.2 Les récepteurs
2.2.1 Paramètres caractéristiques d’une chaîne de réception
2.2.2 Architectures des récepteurs
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre III Les systèmes multi-antennes
Introduction
3.1 Le système de radiocommunication SIMO
3.1.1 Modèle du canal SIMO
3.1.2 Capacité du canal SIMO
3.1.3 Formateur de faisceaux ou beamforming dans les systèmes SIMO
3.2 Les systèmes de Radiocommunication MIMO
3.2.1. Modèle théorique d’un système MIMO
3.2.2. Les techniques MIMO
3.2.3. Récepteurs numérique MIMO
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre IV Etude comparative entre les deux types de démodulateurs Zéro-IF : cinq-port et IQ classique, aspect tridimensionnel du cinq-port et nouvelle calibration aveugle.
Introduction
4.1 Présentation classique du récepteur Zéro-IF cinq-port
4.2- Etude comparative des deux architectures de démodulateurs Zéro-IF
4.2.1 Le démodulateur triphasé
4.2.2 Effet de Non-linéarités sur les démodulateurs Zéro-IF et rejection de la distorsion d’intermodulations d’ordre 2
4.2.3 Simulation du comportement des démodulateurs Zéro-IF face à un canal adjacent
4.2.4 Etat de l’art des techniques de rejection de l’intermodulation d’ordre pair
4.2.5 Circuits conçus et bancs de mesure
4.2.6 Résultats de mesure
4.3 Aspect tridimensionnel de la technique 5-port pour les récepteurs Zéro IF
4.3.1 Le cinq port et le triphasé dans un contexte récepteur
4.3.2. Orthogonalité aux canaux adjacents
4.4. Calibrage aveugle du cinq-port et du triphasé
4.4.1. Etat de l’art sur les techniques de calibration
4.4.2. La technique de calibration aveugle
4.4.3. Résultats de mesures
Conclusion
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Conclusion générale

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