Soutenance mémoire
Les télécommunications font partie des technologies qui ont révolutionnée notre mode de vie. Du télégraphe à l’Internet, du téléphone Graham Bell au téléphone cellulaire, les progrès établis en la matière sont spectaculaires. Les informations transmises étaient tout d’abord codées en morse, puis des technique de modulation et de codage analogique ont permis de transmettre du son, puis des images. Ensuite la venue des techniques numériques a considérablement augmenté le débit et la qualité des informations à transmettre d’un point à un autre.
Parallèlement, le développement rapide de la microélectronique et des capacités de miniaturisation permettent aujourd’hui la mise en œuvre de technique complexes dans des appareils de tailles réduites. Cependant l’augmentation des besoins en débits se heurte à la nature des canaux euxmême. En effet, dans les applications telles que la télédiffusion à grande échelle ou un réseau informatique radio à l’intérieur d’un bâtiment, le canal est de type multitrajet. Le signal est réfléchi en plusieurs endroit, et des échos apparaissent et créent des perturbations dont l’influence augmente avec le débit de transmission. Parmi les solutions étudiées pour pallier ce problème, la modulation multiporteuse OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est étudiée depuis les années soixante et est particulièrement adaptés à ces canaux sévères. L’idée de cette modulation est de répartir l’information sur un grand nombre de porteuses, créant ainsi des sous canaux très étroit pour lesquels la réponse fréquentielle du canal peut-être considérée comme constante. Un des obstacles principaux à leur mise en œuvre était la complexité des appareils d’émission et de réception, mais les progrès accomplis depuis en électronique ont rendu leur réalisation possible. Aujourd’hui plusieurs normes telles que DAB (Digital Audio Broadcasting, norme de diffusion audio numérique), DVB-T (Digital Video broadcasting-Terrestrial, norme de télévision numérique sur canal hertzien), ainsi que les normes des réseaux sans fil reposent sur les modulations multiporteuses.
GENERALITES SUR LES TRANSMISSION NUMERIQUES
Chaîne de transmission numérique classique
Les systèmes de transmission numérique véhiculent l’information sous forme numérique entre une source et un ou plusieurs destinataires en utilisant un support physique comme le câble, la fibre optique ou encore la propagation sur un canal radioélectrique. Les signaux transportés peuvent être soit directement d’origine numérique, comme dans les réseaux de données, soit d’origine analogique (parole, image…) mais convertis sous une forme numérique. La tâche du système de transmission est d’acheminer l’information de la source vers le destinataire avec le plus de fiabilité possible. Les caractéristiques de l’environnement de transmission sont très importantes et affectent directement la conception des systèmes de communication et leurs fonctions.
Si le message produit par la source est de type analogique, il est converti en une séquence d’éléments binaires par des étapes successives d’échantillonnage, de quantification et de codage binaire. Dans le cas idéal, cette séquence doit être la plus courte possible. Pour augmenter l’efficacité de la transmission et optimiser l’utilisation des ressources du système, un codeur de source compresse donc les données en éliminant les éléments binaires non significatifs.
Lors du passage dans le canal physique de transmission, le signal est altéré par du bruit et des interférences, induisant parfois le récepteur en erreur. Afin d’augmenter la fiabilité de la transmission, un codeur de canal introduit, de manière parfaitement contrôlée, de la redondance dans la séquence d’information. Ce codage est encore appelé codage détecteur et correcteur d’erreurs puisque le récepteur connaît la loi de codage utilisée et est donc capable de détecter puis éventuellement, corriger les données binaires erronées. Cependant, cette amélioration de la qualité du message se fait au détriment du débit global de transmission, et si l’on se réfère de plus aux travaux conduits par Shannon sur la théorie de l’information, le codage de canal n’est possible que si le débit de la source binaire est inférieur à la capacité du canal de transmission. Afin d’éviter l’interception voire l’écoute d’une transmission par des personnes non autorisées, ou dans le but de faciliter la récupération de l’horloge en réception, il est également possible d’ajouter un processus d’embrouillage, par exemple grâce à l’utilisation d’une séquence binaire aléatoire.
À la sortie du codeur de canal, la séquence d’information binaire passe par un modulateur numérique, qui sert d’interface avec le canal de communication en donnant au signal une contenance physique. A chaque élément ou groupe d’éléments binaires est associée une forme d’onde selon une loi de transcodage, le tout formant alors un signal électrique susceptible d’être envoyé dans le canal en bande de base ou sur fréquence porteuse. Pour passer du signal en bande de base au signal sur porteuse, on est amené à effectuer une transposition de fréquence.
Le canal de transmission est le support physique utilisé pour envoyer l’information de l’émetteur au récepteur, et il diffère selon le type d’application envisagée. Ainsi, si le téléphone utilise le câble bifilaire, des applications plus gourmandes en débit privilégieront la câble coaxial, autorisant des débits de l’ordre du Mbit/s, ou mieux la fibre optique qui peut supporter des débits de plusieurs Gbit/s. Dans le cadre de notre travail, nous envisagerons plutôt les transmissions radiomobiles, qui utilisent la propagation des ondes électromagnétiques dans l’espace libre. Quel que soit le support employé lors de la propagation du signal, celui-ci subit des dégradations d’origine diverses, comme les évanouissements propres à la propagation, le bruit thermique généré par les appareils électroniques, ou encore des perturbations électriques dues aux brouilleurs, parasites, à la foudre…
L’information binaire n’arrive pas toujours intacte au destinataire, et les performances du système de transmission dépendent de très nombreux facteurs, parmi lesquels on peut citer les caractéristiques du canal, la puissance de l’émetteur, la forme d’onde utilisée ou encore le type de codage. Le bruit est le terme générique qui regroupe l’ensemble des perturbations subies par le signal lors de son passage dans le canal de transmission. Afin de mesurer ces perturbations, on appelle donc rapport signal sur bruit (S/B) le rapport entre la puissance totale du signal émis et la puissance du bruit au niveau du récepteur. La fréquence à laquelle les erreurs se produisent constitue une bonne indication de la fiabilité de la communication. Pour la quantifier, on définit le Taux d’Erreur Binaire (TEB) comme le rapport entre le nombre de bits erronés et le nombre total de bits émis, et le terme de Probabilité d’Erreur Binaire (PEB) indique une estimation de ce rapport.
Un autre aspect primordial pour juger des performances d’un système de communication réside dans la complexité de l’algorithme de démodulation employé par le récepteur. Enfin l’occupation spectrale du signal émis doit être connue pour utiliser efficacement la bande passante du canal de transmission, et les besoins en débit des applications nouvelles conduisent de plus en plus à des modulations à grande efficacité spectrale.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre I : GENERALITES SUR LES TRANSMISSION NUMERIQUES
I.1. Introduction
I.2. Chaîne de transmission numérique classique
I.3. Modulations numériques
I.3.1. Modulations numériques classiques
I.3.1.1. Modulation à déplacement d’amplitude (MDA)
I.3.1.2. Modulation à déplacement de phase (MDP)
I.3.1.3. Modulation à déplacement de fréquence (MDF)
I.3.2. Modulation d’amplitude en quadrature (MAQ)
I.4. Transposition de fréquence
I.5. Filtre d’émission
I.6. Canaux de transmission
I.6.1. Canal à bruit additif blanc gaussien
I.6.2. Canal à évanouissements
I.6.2.1. Canal à trajets multiples
I.6.2.2. Définition de l’étalement temporel
I.6.2.3. Effet Doppler
1.7. Réception
1.7.1. Démodulation
I.7.2. Filtre de réception
I.7.3. Seuil de décision et notion de maximum de vraisemblance
I.7.3.1. Seuil de décision
1.7.3.2. Rapport de vraisemblance
Chapitre II : SPECIFICATION D’UNE TRANSMISSION OFDM
II.1. Notion d’orthogonalité
II.1.1. Rappel mathématique
II.1.2. Application au procédé OFDM : L’orthogonalité temporelle
II.1.3. Application au procédé OFDM : L’orthogonalité fréquentielle
II.2. Réalisation du signal OFDM en bande de base
II.2.1. Principe de base
II.2.1.1. Analyse théorique du procédé de modulation/démodulation
II.2.1.2. La modulation de chaque sous-porteuse
II.2.1.3. Transposition du signal OFDM autour d’une fréquence porteuse
II.2.2. Choix du nombre de porteuse
II.2.3. Choix de la fréquence d’échantillonnage
II.2.4. Méthodes d’annulation des interférences
II.2.4.1. Interférence entre symboles
II.2.4.2. Interférence entre sous canaux causée par le trajet multiple
II.3. Chaîne de transmission
II.4. Performance de la modulation OFDM
II.5. Les avantages de la modulation OFDM
II.5.1.Occupation spectrale
II.5.2. Résistance aux perturbations
II.5.3. Utilisation des trajets multiples
II.6. Applications de l’OFDM
II.6.1. La norme 802.11
II.6.1.1. Avantages et Inconvénients
II.6.2. Hyperlan (High Performance Local Area Network)
II.6.3. Norme de diffusion de télévision Hertzienne terrestre : DVB-T
II.6.4. La téléphonie de 4ième génération (4G)
Chapitre III : ANNULATION DES INTERFERENCES ENTRE SOUS PORTEUSES DANS LE SYSTEME OFDM
III.1. Introduction
III.2. Les effet du décalage en fréquence sur la performance des récepteurs OFDM
III.2.1. Décalage en fréquence
III.2.2. Expression du signal modulé
III.2.3. Décalage en fréquence dû à l’effet Doppler
III.2.3.1 Etude de l’effet doppler
III.2.3.2. Effet de l’écart de fréquence Doppler sur la fréquence porteuse, les sousporteuses, l’enveloppe du signal, et la période d’échantillonnage
III.2.4. Décalage en fréquence dû aux oscillateurs locaux
III.2.5. Décalage en fréquence relatif
III.2.6. Dégradation du rapport signal sur bruit en fonction de l’écart de fréquence
III.3. Analyse des interférence entre symbole
III.3.1. Le CIR
III.4. Les systèmes d’annulation de interférences entre sous-porteuses
III.4.1. Système d’auto annulation des ICI (AA)
III.4.1.1. Modulation pour l’annulation des ICI
III.4.1.2. Démodulation pour l’annulation des ICI
III.4.2. Méthode d’estimation utilisant le maximum de vraisemblance (MV)
III.4.2.1. Dédoublement de données dans le symbole OFDM
III.4.3. Comparaison des méthodes
Chapitre IV : SIMULATION D’UN SIGNAL OFDM ET INTEFERENCES ENTRE SOUS PORTEUSES SOUS MATLAB
IV.1. Présentation de Matlab
IV.2. Fonctions de Matlab 5.3 utiles pour la simulation
IV.3. Présentation du logiciel
IV.3.1. Fenêtre principale
CONCLUSION
