L’ère des Télécommunications

La communication à l’époque de l’antiquité jusqu’à la fin du moyen âge

La préhistoire prend fin lors de la naissance de l’écriture durant la période de l’antiquité. Par ailleurs, l’invention de ce moyen de communication, a permis l’acquisition et la transmission des connaissances car à cette époque, seuls les scribes étaient formés à l’écriture, à la lecture et aux calculs, dans le but était de retranscrire les transactions. Toutefois, une des grandes difficultés à l’époque était la transmission des messages sur les longues distances, c’est pourquoi des coureurs, des signaux lumineux et des pigeons messagers furent employés comme moyen de correspondance. Arrivée après, la période du moyen âge, est venue après la période de l’antiquité. A cette époque, les informations voyageaient au rythme des messages où des chevaux ainsi que des personnes qui servaient de messagers étaient déployés pour transmettre au destinataire des lettres écrites par l’expéditeur [2-3].

L’ère des Télécommunications

L’ère des télécommunications, débute lors de l’apparition du premier système de télécommunication, connu sous le nom de ‘‘Télégraphe’’. Cette invention fut le commencement de l’évolution de la technologie [5]-[9]. En effet, en :
– 1794 : Invention du télégraphe ; système permettant la transmission rapide des messages codés sur de grandes distances.
– 1876 : Invention du téléphone fixe ; cette découverte a offert une solution idéale et un moyen rapide pour transmettre la voix instantanément.
– 1887-1901 : Découverte des premières ondes radioélectriques (hertziennes) ainsi que l’invention de la radio ; Cette révolution technologique majeure pour les télécommunications a permis une communication entre deux stations fixes et ce, quelle que soit la distance entre elles.
– 1926 : Cette année voit la première diffusion d’images sur des écrans téléviseurs.
– 1936 : Alan Mathison Turing, ouvre la voie de la création de l’ordinateur programmable mais il faut attendre 1946 pour la commercialisation des premiers ordinateurs.
– 1969-1990 : Création d’un réseau informatique mondial appelé ‘Internet’, dont l’idée fut de permettre aux utilisateurs de différents ordinateurs, à communiquer entre eux et à envoyer des informations rapidement et en temps réel. C’est en 1969 que deux ordinateurs d’une université américaine arrivèrent à s’échanger des informations grâce à un câble de liaison mesurant quelques mètres de long et c’est à partir de 1990, que le réseau se démocratise et pu connaitre une expansion planétaire, permettant la multiplication de services de toute nature sur le World Wide Web (www).

La cinquième génération 5G

La cinquième génération des réseaux mobiles est attendue pour l’horizon 2020. Elle est définie comme le réseau multi-technologiques qui ne s’intéressera pas uniquement aux services de communications grand public. En effet, la 5G ouvrira de nouvelles perspectives dans plusieurs secteurs (agronomie, médecine, éducation…etc), et offrira un large éventail de fonctionnalités connectées via Internet, qui permettront la cohabitation d’applications et usages extrêmement diversifiés, et unifiés au sein d’une même technologie.

Familles d’usage caractérisant la 5G Le Groupe IMT-2020 spécialisé dans le développement du réseau de cinquième génération, définit trois grandes familles d’usage avec leurs exigences, qui permettront de répondre aux besoins métier mentionnés en introduction de cette section [49-50] :
• mMTC – massive Machine Type Communications : Cette technologie devra permettre la communication entre une grande quantité d’objets. Elle vise à répondre aux besoins d’une société numérique plus développée et à mettre en service des exigences élevées en termes de densité d’objets connectés comme la ville intelligente et l’agriculture intelligente.
• eMBB – enhanced Mobile Broadband : Ou ‘connexion en ultra haut débit en outdoor et en indoor’. Le principal objectif de cette catégorie d’usage, est de répondre à la demande d’un mode de vie de plus en plus numérique avec uniformité de la qualité de service telles que les vidéos haute définition (HD) qui nécessitent une bande passante élevée.
• uRLLC – Ultra-reliable and Low Latency Communications : Communication ultra-fiable et à très faible latence. Cette technologie vise à répondre aux attentes de l’industrie numérique pour une réactivité accrue et se focalise sur les services sensibles à la latence, telles que la conduite assistée et automatisée et la gestion à distance.

Principaux défis de la 5G Afin de mettre en œuvre les trois types d’usages cités précédemment, la 5G est amenée à répondre à une liste de défis, définis par [51-52] :
• Connectivité massive : La 5G augure de fortes potentialités en matière de densité d’appareils connectés dont le nombre devra atteindre le million par km2.
• Débit de données très élevé : Afin de supporter un trafic dense, le futur réseau envisage d’offrir un débit de données très élevé avec une connexion stable en mobilité dont la vitesse dépassera les 500 km/h, mais prévoit aussi :
– Des débits de données supérieurs à 10 Gbit/s dans les environnements extérieurs, intérieurs et denses ;
– Des débits de données de plusieurs 100 Mbit/s dans les environnements urbains et suburbains ;
– Des débits de données d’au moins 10 Mbit/s, devraient être accessibles presque partout y compris dans les zones rurales peu peuplées, dans les pays développés et en voie de développement.
• Très faible latence : Le temps de latence sera également fortement réduit avec la 5G. Ce défi est motivé par le besoin de supporter de nouvelles applications envisagées pour la sécurité routière, le contrôle des infrastructures ou pour des processus industriels dont la latence de bout en bout ne doit pas dépasser 1 ms.
• Ultra-haute fiabilité : La 5G devra également permettre une connectivité avec une fiabilité extrêmement élevée et une disponibilité permanente et sans faille, et ce quelle que soit la position de l’utilisateur par rapport à la station de base.
• Coût réduit des appareils mobiles avec une faible consommation d’énergie : Les appareils mobiles à faible coût et à faible consommation d’énergie sont une exigence clé du marché depuis les débuts de la communication mobile. Les appareils 5G devront donc être commercialisés à très faible coût avec une autonomie de plusieurs années sans recharge grâce aux capteurs connectés et dispositifs similaires.
• Réseaux à efficacité énergétique : L’efficacité énergétique est considérée aujourd’hui comme un indicateur de performance clé dans la conception des circuits comme les amplificateurs de puissance, les émetteurs-récepteurs…etc. La 5G prévoit d’augmenter l’efficacité énergétique et fournir des batteries jusqu’à 100 fois moins énergivores.

Allocation des fréquences Pour répondre aux différents défis cités dans la section précédente, la 5G devra intégrer plusieurs spectres radioélectriques, dont [53] :
– Spectre à basses fréquences (inférieures à 1 GHz), notamment la bande 700 MHz ;
– Fréquences à spectre moyen (entre 1 et 6 GHz) avec une largeur de spectre élevée. Ce spectre sera utilisé entre autres pour la téléphonie mobile ;
– Spectre ultra-large pour les ultra hautes fréquences (supérieures à 24 GHz) avec des largeurs de bande très importantes. Les fréquences supérieures à 20 GHz, sont communément appelées ondes millimétriques. Toutefois, l’accès à ce spectre ouvrira la porte à une grande variété de services qui offrira avant tout l’avantage de mettre en œuvre une capacité élevée de débit de données et une latence très faible grâce à l’intensité de la largeur de la bande passante qui est comprise entre 1000 MHz et 2000 MHz [54]. Dans ce contexte, la conférence mondiale des radiocommunications (CMR-15) a ouvert la voie au développement du spectre radio des fréquences élevées en identifiant plusieurs bandes de fréquences au réseau 5G.

Travaux récents liés aux synthétiseurs pour des applications 5G

La plupart des synthétiseurs de fréquences présentés dans la littérature et connexes aux applications 5G, sont à pas fractionnaire. L’objectif de ces travaux est commun ; Proposer des modèles qui permettent d’améliorer les caractéristiques de la PLL. En 2015, les auteurs [8] ont utilisé la structure du synthétiseur fractionnaire, en associant un doubleur de fréquence à l’oscillateur de référence. Les résultats obtenus, ont démontré un faible bruit de phase avec un gain de raies de références réduit. Aussi, les auteurs [9], ont proposé un synthétiseur avec un montage en cascade (en quadrature), qui a présenté à la fois un faible bruit de phase, et un RMS réduit. Une autre investigation plus récente rapportée dans [10] a pu mettre en œuvre un modèle de synthétiseur performant et ceci en faveur d’une inductance commutée dans le VCO. Cependant, tous ces modèles présentés, sont proposés pour les bandes de fréquences 5G de 28 GHz et 38 GHz, alors que, rappelons qu’un spectre radiofréquence très élevé offre un champ d’application plus large avec des services très variés. D’autres part, toutes ces investigations sont axées principalement sur les synthétiseurs à division fractionnaire, alors que ceux à division entière sont moins complexes, et consomment moins d’énergie.

Pour ces deux raisons et dans le cadre de mieux relever les défis de la 5G, nous avons choisi dans cette thèse comme première étude de modéliser un synthétiseur de fréquences à division entière, destinés aux émetteurs-récepteurs 5G, et ayant pour  spécificité de couvrir la plus large gamme de fréquence, allouée au réseau 5G. Par ailleurs, si nous nous référons au tableau VI, les fréquences les plus élevées, appartiennent à la bande-E [81-86] GHz. Rappelons aussi, que pour des fréquences supérieures à 20 GHz, la largeur du spectre est comprise entre 1 et 2 GHz. Or, pour synthétiser la bande de fréquence à partir de 81GHz avec un pas ‘entier’, le saut entre les fréquences ne peut être réalisé que sur une largeur de 1 GHz. En résumé, ce mémoire s’oriente sur la possibilité de mettre en place un synthétiseur de fréquences à base de PLL, compatible avec les émetteurs-récepteurs 5G en répondant aux exigences suivantes :
– Architecture traditionnelle avec une division entière ;
– Couverture de la bande-E [81-86] GHz avec un espacement large bande de 1 GHz ;
– Tolérance de plus d’1 nA de courant de fuite ;
– Bonne performance en termes de bruit de phase, raies de références, RMS Jitter et temps d’acquisition.

Table des matières

Résumé
Summary
Remerciements
Productions scientifiques
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction Générale
Chapitre I : Réseaux de télécommunications
I.1 Introduction
I.2 Histoire de la communication
I.2.1 De la préhistoire à nos jours
A. La communication à l’époque de la préhistoire
B. La communication à l’époque de l’antiquité jusqu’à la fin du moyen âge
C. La communication à l’époque moderne
D. L’ère des Télécommunications
I.3 Communication sans fil
I .3.1 La première génération ‘1G’
A. Standards qui ont marqués la 1G
B. Fin de l’ère de la 1G
I.3.2 Naissance de la deuxième génération ‘2G’
A. Caractéristiques du réseau GSM
A1. Allocation dynamique des fréquences
A.2 Techniques de transmission entre la BSS et la MS
A.3 Modulation
A.4 Handover
A.5 Transcodage de la parole
A.6 Débit binaire de transmission de données
A.7 Différence entre le GSM’900 et le DCS’1800
B. Evolution du réseau GSM
B.1 L’accès à internet à partir du terminal mobile
B.2 Les standards marquant la 2G
I.3.3 La troisième génération ‘3G’
A. Accès multiple et duplex
B. Bandes de fréquences allouées au réseau 3G
C. Les nouveautés apportées par la 3G
D. Les principales différences entre les modes de duplexage FDD et TDD
E. Les standards développés dans la 3G
F. Latence
I.3.4La quatrième génération 4G’
A. Mode de duplexage utilisé
A.1 Nouvelles bandes de fréquences attribuées au réseau LTE
B. Spécifications du réseau 4G
C. Solution du réseau LTE
C.1 Long Term Evolution-Advanded
C.2 LTE-Advanced pro
I.3.5 La cinquième génération ‘5G
A. Familles d’usage caractérisant la 5G
B. Principaux défis de la 5G
C. Allocation des fréquences
I.4 Bilan du chapitre
Références Bibliographique du chapitre 1
Chapitre II : Etude théorique de la synthèse de fréquence à PLL
II.1 Introduction
II.2 Préambule
II.2.1 Concept de base d’une PLL
II.3 Introduction aux synthétiseurs de fréquences à PLL
II.3.1 L’oscillateur de référence (TCXO)
A. Oscillateurs à cristal de quartz (XO)
A.1 Historique
A.2 Equivalent électrique
A.3 Les oscillateurs à quartz TCXO
II.3.2 Les Diviseurs de fréquence (R) et (N)
A. Pré-diviseur double module
II.3.3 Le Comparateur de phase-fréquence (PFD)
A. Principe de fonctionnement
B. Chronogramme d’un PFD
II.3.4 La pompe de charge (CP)
A. Courant de fuite ‘Leakage current’
B. Association du PFD à la CP
C. Région de la zone morte
II.3.5 Le Filtre de boucle (LF)
A. Choix de l’ordre du filtre
A.1 Filtre de premier ordre
A.2 Filtre du deuxième ordre
A.3 Filtre du troisième ordre
II.3.6 L’oscillateur commandé en tension (VCO)
II.4 Modélisation linéaire des boucles à verrouillage de phase
II.4.1 Linéarisation du PFD
II.4.2 Linéarisation du VCO
II.4.3 Fonctions de transfert de la PLL
A. Choix de la bande de boucle et de la marge de phase
A.1 La bande de boucle
A.2 La marge de phase
II.5 Caractéristiques clés des synthétiseurs de fréquences à PLL
II.6 Analyse du bruit de phase dans les synthétiseurs de fréquence à PLL
II.6.1 Bruit de phase du filtre
A. Bruit de la résistance R1
B. Bruit de la résistance R2
II.6.2 Modèle mathématique du bruit de phase dans les oscillateurs
A. Origine du bruit de phase
B. Calcul du bruit de phase dans les oscillateurs
B.1 Le modèle de ‘Leeson’
II.7 Conclusion
Références Bibliographiques du chapitre II
Chapitre III : Etude théorique de la synthèse de fréquence à PLL
III.1 Introduction
III.1.1 Travaux liés aux synthétiseurs traitant le paramètre du courant de fuite
III.1.2 Travaux récents liés aux synthétiseurs pour des applications 5G
III.2 Modélisation du synthétiseur de fréquences à PLL pour les émetteurs-récepteurs 5G
III.2.1 Outil de conception
III.2.2 Spécifications du synthétiseur dans la bande de fréquence-E
III.2.3 Validation des hypothèses faites sur le choix de la marge de phase et la bande de boucle
A. Validation de l’hypothèse portant sur le choix de la marge de phase
A.1 Analyse de la réponse de la fonction de transfert du gain en boucle fermée @ ∆φ =20°
A.2 Analyse de la fonction de transfert du gain en boucle fermée @ ∆φ= 45°
A.3 Analyse de la fonction de transfert du gain en boucle fermée @ ∆φ= 80°
A.4 Analyse de la Réponse FM @ ∆φ= 20°
A.5 Analyse de la réponse FM @ ∆φ= 45°
A.6 Analyse de la réponse FM @ ∆φ= 80°
A.7 Analyse du bruit de phase @ ∆φ= 20°
A.8 Analyse du bruit de phase @ ∆φ= 45°
A.9 Analyse du bruit de phase @ ∆φ= 80°
A.10 Analyse du système dans le domaine temporel @ ∆φ= 20°
A.11 Analyse du système dans le domaine temporel @ ∆φ= 45°
A.12 Analyse du système dans le domaine temporel @ ∆φ= 80
A.13 Conclusion sur le choix de la marge de phase
A.14 Representation graphique en 3 D
III.2.4 Validation de l’hypothèse portant sur le choix de la bande passante de boucle
A. Influence de la bande de boucle sur la réponse du bruit de phase
B. Conclusion sur le choix de la bande de boucle
C. Représentation graphique en 3 D
III.3 Conception du synthétiseur destiné aux émetteurs-récepteurs 5G
III.3 .1 Validation des résultats de simulation dans le domaine temporel
A. Réponse transitoire du système
B. Réponse de la phase d’erreur du système
C. Réponse de la fréquence d’erreur du système
III.3 .2 Validation des résultats de simulation dans le domaine fréquentiel
A. Réponse de la fonction de transfert du gain en boucle ouverte
B. Réponse de la fonction de transfert du gain en boucle fermée
C. Réponse FM
D. Réponse des raies de références du système
E. Analyse du bruit de phase du synthétiseur
F. Représentation graphique du tableau III.15
III.4 Comparaison avec l’état de l’art des synthétiseurs dans la bande > 20 GHz
III.5 Conclusion
Références bibliographiques du chapitre III
Conclusion générale
Annexe

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