Etude de propagation des ondes radio

Le terme « télécommunication » fut inventé en 1904 par E. Estaunié et signifie communiquer à distance. Le but des télécommunications est donc de transmettre un signal, porteur d’une information (voie, musique, images, données…), d’un lieu à un autre lieu situé à distance. Par conséquent, on a vu naître divers dispositifs de communication depuis des temps très anciens. Les Romains avaient un système de signaux militaires qui permettait de faire circuler assez vite, de poste en poste, les ordres et les nouvelles d’importance. Cependant, ce n’était que l’échange de quelques signes conventionnels qui codaient une signification globale du message (victoire, défaite, attaqué à l’ouest, etc.…).

Il fallut attendre la fin du XVIIIe siècle pour voir apparaître le premier système permettant de communiquer à distance des messages complets construits avec des phrases. Cette réalisation des frères Chappe, en 1794, était basée sur un dispositif mécanique. Grâce à l’utilisation d’une « chaîne » d’observateur relayant la transmission, des messages pouvaient être communiqués en quelques minutes sur des distances importantes. L’ancêtre du télégraphe était né ! … Le télégraphe de Chappe fut en usage en Algérie jusqu’en 1859.

La révolution suivante fut celle du télégraphe électrique inventé par Samuel MORSE en 1832. Cette fois, un véritable alphabet était utilisé, le fameux code morse (exemple : SOS est codé par …—…). Cette invention était rendue possible par les avancées révolutionnaires successives de la physique en électricité (courant électrique, pile de Volta, électro-aimant…). C’est ce principe qui servira plus tard pour réaliser les premières liaisons radios.

ETUDE DE PROPAGATION DES ONDES RADIO 

Pour pouvoir communiquer à longue distance et à prix un peu plus léger, il est nécessaire d’utiliser les ondes radioélectriques. Les ondes radioélectriques sont des ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques se rattachent à des phénomènes électriques et magnétiques. Elles sont caractérisées par la présence de 2 champs variables : l’un électrique E, l’autre magnétique H. La notion de champ désigne toute région de l’espace dans laquelle se manifeste l’action de certaines forces : électrique dans le cas d’un champ électrique, magnétique dans le cas d’un champ magnétique. La présence d’un champ électrique et d’un champ magnétique perpendiculaire entre eux et variant dans le temps produit une onde électromagnétique se déplaçant à la vitesse de la lumière (c=3.10⁸ m/s), dans une direction perpendiculaire à celle des lignes de champ électriques et magnétiques. Si l’une des lignes des champs change de sens, la direction de propagation est inversée. La propriété du champ électromagnétique est de se propager sous forme d’onde qui est utilisée pour réaliser des transmissions entre émetteurs et récepteurs.

Nous considérons les champs électriques et magnétiques comme variant sinusoïdalement en fonction du temps. Les champs électriques et magnétiques s’annulent en certains moments, sont plus intense à d’autres moments; lorsqu’une onde se propage dans l’espace, les points d’intensités de champs nulles ou maximales semblent se déplacer et c’est pourquoi l’on parle de front d’onde. La liaison par voie radioélectrique peut se décomposer en 3 parties : l’émetteur, le canal de transmission et le récepteur. Le rôle de l’émetteur est de convertir le message à transmettre sous forme d’un signal électrique modulé et transposé à la fréquence d’émission, puis d’amplifier en puissance et d’émettre sur l’antenne.

Quant au récepteur, à partir d’une autre antenne, il devra restituer le message le plus fidèlement possible.

Polarisation d’une onde

Les ondes électromagnétiques sont polarisées dans un milieu donné, les oscillations des champs électrique et magnétique se produisent chacune dans un plan déterminé. La polarisation d’une onde est le plan dans lequel varie le champ électrique. Certaines émissions d’ondes électromagnétiques se font à polarisation horizontale, d’autre à polarisation verticale ou même circulaire ou elliptique : ces deux derniers cas sont présents lorsque l’on fait varier le champ électrique dans les plans horizontal puis vertical, alternativement. Dans le cas d’une polarisation circulaire, il faudrait faire varier un champ électrique d’intensité constante.

Fréquence et longueur d’onde
Les ondes électromagnétiques sont désignées par leurs fréquences ou leurs longueurs d’ondes. La fréquence d’une onde électromagnétique est la fréquence des champs électriques et magnétiques qui les composent, soit nombre de cycle par seconde exécuté par le champ électrique ou magnétique. La longueur d’onde λ est définie comme le trajet par une onde après une période d’oscillation T. Dans le cas des ondes électromagnétiques, la vitesse de propagation étant constante et égale à c, la longueur d’onde sera :

λ=cT

Dispersion et trajet multiple

De la même façon la célérité des ondes dans un milieu dépend de la fréquence, cet effet appelé dispersion, introduit de ce fait une distorsion de phase dans le signal transmit, dans la mesure où toutes les fréquences du spectre transmis n’ont pas le même retard. Les ondes radio peuvent aussi être réfléchies par des collines, des bâtiments, des véhicules,… ou une discontinuité dans l’atmosphère, dans certains cas les signaux réfléchis sont atténués. L’effet résultant est de produire non seulement un mais plusieurs trajets différents entre l’émetteur et le récepteur. Ce phénomène est appelé la propagation à trajet multiple. La propagation à trajet multiple crée des problèmes les plus difficiles associés à l’environnement mobile. Les 3 plus importants problèmes sont :

– l’étalement des délais du signal reçu
– fading de Rayleigh
– écart Doppler .

Etalement de délais 

A cause du trajet multiple, les divers signaux arrivent au récepteur avec de léger décalage dans le temps ce qui entraine une déformation et un étalement de signal.

Fading de Rayleigh

Autre effet de la propagation par trajet multiple est que les ondes radio réfléchis subissent une altération importante de quelques unes de leurs caractéristiques essentielles, surtout de la phase et de l’amplitude. Le concept d’évanouissement est cependant un concept spatial. Supposons que l’émetteur soit stationnaire à un emplacement donné, occupé par le récepteur. La somme de tous les rayons directs et réfléchis venant de l’émetteur allant au récepteur produit une altération du niveau de signal dépendant du degré de déphasage des signaux dû au trajet multiple, ce niveau de signal peut être un peu plus ou moins considérablement élevé que le niveau prévu qui peut être défini comme ce que l’on peut atteindre du trajet direct seul, lequel est basé uniformément sur l’atténuation en espace libre plus à l’atténuation dû à l’évanouissement.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 LES DIFFERENTS TYPES DE MODULATIONS
1.1. Modulation d’amplitude(AM)
1.1.1. Signal en modulation d’amplitude (aspect temporel)
1.1.2. Spectre réelle d’un signal AM avec porteuse (DBAP)
1.2. La modulation de fréquence(FM)
1.2.1. Le signal en modulation de fréquence (aspect temporel)
1.2.2. Expression du signal modulé en fréquence (aspect temporel)
1.2.3. Fonction de Bessel
1.3. Modulation en phase
1.4. Modulation par Impulsion Codé
1.4.1. Échantillonnage
1.4.2. Quantification
1.4.3. Codage et numérisation
1.5. Autre types de modulation
1.5.1. Modulation OOK (On Off Keying): Modulation AM en tout ou rien
1.5.2. Modulation FSK (Frequency Shift Keying) : Modulation par saut de fréquence
1.5.3. Modulation PSK (Phase Shift Keying) : Modulation par saut de phase
1.5.4. Modulation ASK-m
CONCLUSION
CHAPITRE 2 ETUDE DE PROPAGATION DES ONDES RADIO
2.1. Introduction
2.2. Propriétés optique d’une onde électromagnétique
2.2.1. Réflexion
2.2.2. Réfraction
2.2.3. Diffraction
2.3. Caractéristiques d’une onde électromagnétique
2.3.1. Puissance de rayonnement d’une onde
2.3.2. Polarisation d’une onde
2.3.3. Fréquence et longueur d’onde
2.4. Rappel sur l’électromagnétisme
2.4.1. Loi de coulomb
2.4.2. Champ et induction électrique
2.4.3. Champ et induction magnétique
2.5. Onde électromagnétique
2.5.1. Les équations de Maxwell
2.5.2. Propagation libre
2.5.3. Condition aux limites
2.6. Les problèmes sur les transmissions radios
2.6.1. Atténuation
2.6.2. Dispersion et trajet multiple
2.6.3. Interférence
2.7. Contrainte
2.7.1. Source de bruit
2.7.2. Rapport signal sur bruit
2.8. Transposition de fréquence
2.9. Utilisation du spectre des fréquences
CONCLUSION
CHAPITRE 3 RESEAUX RADIOELECTRIQUES A RESSOURCES PARTAGER (3RP) OU TRUNK
3.1. Introduction
3.2. Les avantages de ce type de réseau
3.3. Situation actuelle
3.3.1. Situation actuelle des réseaux 3RP numériques
3.3.2. TETRA
3.3.3. Les particularités des modulations utilisées
3.3.4. Comparaison entre les réseaux TETRA et celle du GSM
3.4. Optimisation du réseau
3.4.1. La BTS
3.4.2. La MS
3.4.3. Les paramètres mis en jeu
3.4.4. Calcul et bilan des liaisons
3.4.5. Calcul des atténuations des deux cotés : BTS et MS
3.5. Applications
3.5.1. Dans le domaine économique
3.5.2. Dans le cas de la sécurisation
CONCLUSION
CHAPITRE 4 SIMULATION SOUS MATLAB
4.1. Simulation
4.2. Bilan
4.3. Optimisation
Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 RAPPORT SUR 3RP TETRA
ANNEXE 2 RADIOCOMMUNICATION MOBILE
ANNEXE 3 RELAIS GSM
ANNEXE 4 PRESENTATION DE MATLAB
BIBLIOGRAPHIE

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