Soutenance mémoire
Le marché des télécommunications connaît ces dernières années une forte croissance. Dans ce marché de masse, nous assistons à l’essor des radiocommunications. D’abord réservés à un marché professionnel, les radiotéléphones mobiles s’adressent de nos jours à l’ensemble des consommateurs. Ce virage important est lié à l’apparition des nouveaux standards GSM et DCS1800. L’utilisateur actuel aspire à une liberté totale de mouvement tout en conservant vis à vis de son entourage professionnel ou privé un lien direct, la liaison téléphonique. Les radiotéléphones modernes offrent la disponibilité constante de la liaison et la mobilité en cours de communication dans la zone de couverture. Ce service est assuré sur la majorité du territoire avec une qualité croissante et un coût de plus en plus réduit.
Sur les réseaux, l’augmentation du trafic imposée par la forte croissance du marché a nécessité l’utilisation d’ondes électromagnétiques de fréquences de plus en plus élevées pour véhiculer les informations. Les terminaux mobiles sont devenus ainsi de véritables concentrés technologiques tant du point de vue informatique qu’électronique, avec pour objectif constant la diminution du poids et l’augmentation de l’autonomie. La réalisation de cet objectif est une des clés de la croissance des nouveaux radiotéléphones.
Un mobile est constitué de deux parties principales : une partie numérique de contrôle et de traitement du signal, et l’interface radiofréquence. La diminution de l’encombrement et de la consommation de la partie numérique est une constante dans le monde de l’électronique. Elle suit les progrès technologiques sur l’intégration toujours plus grande des circuits intégrés. Les progrès sur la partie analogique radiofréquence sont moins rapides. Ils sont le fruit de combinaisons entre de nouvelles structures de récepteurs et les technologies existantes.
Le standard numérique DCS1800
Le nom du nouveau standard de radiotéléphone numérique urbain DCS1800 provient des initiales de Digital Communication System for 1800 MHz. La nécessité de l’élaboration de ce nouveau standard est apparue dès la naissance du standard GSM (Global System for Mobile communications). Les études relatives à la croissance prévisible du nombre d’utilisateurs ont montré le besoin pour d’un standard adapté spécifique, plus approprié que le GSM pour les zones à forte densité urbaine telles que les grandes villes de plusieurs millions d’habitants [I.1][I.2 [I.3]. Les standards GSM et DCS1800 sont développés par le même groupe de travail au sein de l’E.T.S.I (European Telecommunication Standards Institute). A ce titre le DCS1800 est clairement une extension du standard GSM à une gamme de fréquences plus élevée et plus étendue, avec certaines spécificités permettant son adéquation aux milieux urbains [I.4][I.5], spécificités sur lesquelles nous reviendrons ultérieurement.
Présentation du standard DCS1800
Le DCS1800 : un radiotéléphone cellulaire
Les réseaux de radiotéléphones anciens et récents sont tous de type cellulaire. Un réseau cellulaire est un réseau dont la couverture d’une région géographique déterminée est assurée par un ensemble de cellules adjacentes. Une cellule est une entité comprenant un système d’émission/réception d’ondes électromagnétiques. Celui-ci est connecté à un système de contrôle permettant l’accès au réseau câblé traditionnel. Les cellules peuvent être groupées en entités plus importantes, gérées au niveau du réseau global comme une grande cellule. C’est le cas lorsque plusieurs cellules sont connectées au même système de contrôle.
Le DCS1800 un radiotéléphone numérique
Présentation générale
Le numérique en téléphonie
Avant d’aller plus avant dans l’étude du DCS1800 en tant que radiotéléphone numérique, il convient de définir au préalable ce qu’est un téléphone numérique. D’un point de vue général, un radiotéléphone numérique est un terminal qui émet et reçoit des informations qui ont toutes été codées par des bits 0 ou 1. Dans ce système, la parole est échantillonnée (sur 8 bits à 13 kBits/s actuellement), et chaque échantillon est codé sur plusieurs bits avec un codage de type RPE-LTP (Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction) [I.1][I.6]. Les bits ainsi obtenus sont à nouveau traités pour obtenir les trames numériques à émettre. La voie est alors véhiculée entre les mobiles et les bases comme toutes les autres données numériques, notamment les données liées au bon fonctionnement du réseau. Ceci est complètement différent du téléphone analogique dans lequel la voie n’est pas échantillonnée, mais transportée telle qu’elle après un éventuel traitement analogique.
Avec le développement des circuits spécialisés dans le traitement du signal (DSP), le radiotéléphone numérique présente un potentiel intéressant. L’information transmise étant sous forme numérique, il devient possible de lui appliquer toutes les techniques performantes de traitement numérique du signal.
Le codage de l’information
Un avantage de la liaison numérique est l’introduction de codages correcteurs d’erreurs. Ils permettent de fiabiliser la liaison radioélectrique. La souplesse apportée par la liaison numérique permet d’implanter un saut de fréquence lent. Comme nous l’avons mentionner précédemment, cela rend la liaison plus robuste vis à vis des brouilleurs localisés en fréquence. La liaison numérique permet aussi d’effectuer une égalisation du canal. A partir d’un motif connu, le récepteur construit à l’aide d’algorithme adaptatif un modèle de filtre numérique permettant de diminuer l’effet des trajets multiples et de l’évanouissement [I.10]. Ces diverses techniques apportent une amélioration de la liaison radiofréquence, d’où une meilleur qualité d’écoute et un plus grand confort d’utilisation. L’adoption du numérique permet de compresser les données à transmettre ce qui diminue le débit utilisé pour une qualité d’écoute donnée. Dans le standard GSM/DCS1800 est ainsi introduite entre autre, une gestion des « blancs » lors d’une conversation, pour réduire la quantité d’information à transmettre, et augmenter ainsi l’autonomie des mobiles. Au niveau de la gestion du réseau, il devient possible de mêler les trames de données liées à la parole avec les trames de gestion du réseau et ce de façon transparente pour l’utilisateur. C’est ainsi que se déroule les transferts d’une cellule à l’autre, la gestion de la puissance d’émission des mobiles… D’un tout autre point de vue, la liaison numérique permet un cryptage performant des données émises afin d’assurer la confidentialité des communications, ainsi qu’un contrôle de l’accès au réseau. Ce type de traitement de l’information est particulièrement adapté à un traitement numérique qui offre souplesse, performance et ce pour une complexité de circuit et un coût réduits. Le schéma suivant décrit le cheminement et le traitement appliqués aux données issues de l’échantillonnage de la parole après le microphone pour une liaison DCS1800 [I.6]. L’ensemble des techniques mentionnées précédemment y figurent parfois de façon redondante.
L’efficacité spectrale
Tous les avantages mentionnés précédemment n’ont pas été les seuls critères dans le choix d’une liaison numérique lors de l’élaboration de la norme, car les techniques nécessaires restent complexes. La contrainte d’efficacité spectrale a été déterminante [I.1]. Compte tenu de la rareté des bandes de fréquences, il est indispensable de les utiliser au mieux. Les standards GSM/DCS1800 ont retenu pour cela une modulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) avec comme paramètre principal un BT=0.3 (ou B est la bande passante du filtre à 3dB pour le canal soit environ 80kHz dans ce cas, et T=Time Bit=3.69 µs). Ceci permet d’obtenir un débit de 270kBits/s supérieur à la largeur des canaux qui est de 200kHz. Ce débit total permet un débit utile de 200.5kBits/s (74% du débit total ) dans le cas d’un burst normal.
Il est important de noter que le débit utile indiqué n’est pas le débit réel d’information. Il s’agit du débit offert au niveau des données cryptées. Il reste à retrancher les bits nécessaires aux codages correcteurs d’erreurs.
L’adoption d’une liaison numérique conduit à une communication non plus en continue, mais sous forme d’émission de signaux de longueur finie, les « Bursts », ou salves. Dans le cas du GSM/DCS1800, la structure temporelle est relativement complexe. Elle présente une hiérarchie allant de l’hypertrame à l’intervalle de temps élémentaire. Nous donnons ci-dessous la structure complète commune au standard GSM et DCS1800 .
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Table des matières
Introduction
I – Le standard numérique DCS1800
I.1 – Présentation du standard DCS1800
I.1.1. – Le DCS1800 : un radiotéléphone cellulaire
I.1.2. – Caractéristiques radiofréquences du DCS1800
I.1.2.1 – Le multiplexage fréquentiel
I.1.2.2 – Le multiplexage temporel
I.1.2.3 – Le saut de fréquence
I.1.3. – Le DCS1800 un radiotéléphone urbain
I.1.3.1 – Une forte capacité de communications simultanées
I.1.3.2 – Une couverture du réseau à géométrie adaptée
I.1.3.3 – Des mobiles allégés et performants
I.1.4 – Le DCS1800 un radiotéléphone numérique
I.1.4.1. – Présentation générale
I.1.4.1.a – Le numérique en téléphonie
I.1.4.1.b – Le codage de l’information
I.1.4.1.c – L’efficacité spectrale
I.1.4.2. – Caractéristiques
I.1.4.2.a – Structure temporelle du DCS1800
I.1.4.2.b – Les salves du DCS1800
I.1.4.2.b.i – La salve normale
I.1.4.2.b.i i- La salve de synchronisation
I.1.4.2.b.iii- Les autres salves
I.2 – Les contraintes du DCS1800 liées au marché spécifique
I.2.1 – Le marché du DCS1800
I.2.2 – Les contraintes sur les mobiles
I.2.2.1 – Les contraintes de prix, d’encombrement et d’ergonomie
I.2.2.2 – La contrainte d’autonomie
I.3 – Notre objectif d’amélioration pour les mobiles DCS1800
I.3.1 – Consommation actuelle mesurée
I.3.1.1 – Consommation en mode communication
I.3.1.2 – Consommation en mode veille
I.3.2 – Consommation estimée
I.3.3 – Amélioration recherchée
II.1 – Etude de la modulation GMSK adoptée dans la norme DCS1800
II.1.1 – Etude théorique de la modulation GMSK
II.1.1.1 – Généralités
II.1.1. 2 – Formulations mathématiques
II.1.1.2.a – L’interprétation en modulation de fréquence
II.1.1.2.b – L’interprétation en modulation de phase
II.1.1.2.c – L’interprétation en modulation décalée
II.1.2 – Etude des techniques principales de démodulation
II.1.2.1 – La démodulation cohérente
II.1.2.1.a – Structures de démodulateurs cohérents
II.1.2.1.b – Performances en démodulation cohérente
II.1.2.2 – La démodulation non-cohérente
II.1.2.2.a – démodulation différentielle
II.1.2.2.b – La démodulation en fréquence
II.1.3 – Résultats
II.2 – Choix de l’architecture I/Q du récepteur DCS1800
II.2.1 – Le récepteur super-hétérodyne simple
II.2.2 – Le récepteur super-hétérodyne double
II.2.3 – Le récepteur Zéro-IF double
II.3 – Contraintes spécifiques imposées par la norme DCS1800
II.3.1 – Généralités
II.3.2 – Les contraintes sur les modules du récepteur
II.3.2.1 – La sensibilité
II.3.2.2 – La sélectivité
II.3.2.3 – La saturation
II.3.2.4 – L’intermodulation
III – Réalisation du récepteur Zéro-IF
III.1 – Architecture retenue
III.1.1 – Présentation de la structure
III.1.2 – Particularité de la structure Zéro-IF
III.2 – Choix de la technologie utilisée
III.2.1 – Contraintes
III.2.2 – La technologie hybride comme alternative aux circuits intégrés
III.2.2.1 – Avantages
III.2.2.2 – Inconvénients
III.2.2.2.a – Problèmes liés au substrat
III.2.2.2.b – Problèmes liés à la conception
III.2.2.3 – Choix adopté
III.3 – Réalisations des divers blocs fonctionnels
III.3.1 – Les modules passifs
III.3.1.1 – Coupleur/déphaseur
III.3.1.1.a – Type de coupleur retenu
III.3.1.1.b – Réalisation pratique
III.3.1.1.c – Caractérisation
III.3.1.2 – Diviseur de puissance 3dB
III.3.1.2.a – Structure adoptée
III.3.1.2.b – Caractérisation
III.3.1.3 – Filtre aux hautes-fréquences
III.3.1.3.a – Filtrage recherché
III.3.1.3.b – Structure adoptée
III.3.1.3.c – Caractérisation
III.3.2 – Modules à éléments actifs
III.3.2.1 – Amplificateur faible bruit aux hautes-fréquences
III.3.2.1.a – Choix de l’élément actif
III.3.2.1.b – La modélisation et la simulation
III.3.2.1.c – Stabilisation du transistor
III.3.2.1.d – Structure obtenue
III.3.2.1.e – Performances
III.3.2.2 – Mélangeur Zéro-IF
III.3.2.2.a – Structure retenue
III.3.2.2.b – Le mélangeur simple à transistor bipolaire
III.3.2.2.c – Réalisation pratique du mélangeur
III.3.2.2.d – Caractérisation
III.3.2.3 – Filtre passe-bas à réjection de fréquence et gain
III.3.2.3.a – La cellule de réjection de fréquence
III.3.2.3.b – Le filtre actif avec gain dans la bande
III.3.2.3.c – Caractérisation du filtre actif à réjection de fréquence
IV.1 – Le prototype de récepteur Zéro-IF
IV.1.1 – Description du récepteur
IV.1.2 – Précisions sur le circuit testé
IV.1.2.1 – Le synthétiseur externe
IV.1.2.2 – L’amplification totale
IV.1.2.3 – La liaison mélangeur / filtre actif
IV.2 – Mesures selon la norme DCS1800
IV.2.1 – Récapitulatif des mesures
IV.2.2 – Analyse des résultats
IV.2.2.1 – La sensibilité
IV.2.2.2 – La sélectivité
IV.2.2.3 – La saturation
IV.2.2.3.a – La saturation dans la bande de réception 167
IV.2.2.3.b – La saturation hors de la bande de réception168
IV.2.2.4 – L’intermodulation
IV.3 – Confrontation des résultats par rapport aux objectifs
IV.3.1 – Validation de notre prototype
IV.3.2 – Le problème de l’encombrement
Conclusion
