Traitement du bruit impulsionnel dans des postes électriques pour les systèmes de communication sans fil

Pour assurer la fiabilité du réseau électrique, les compagnies d’électricité tel que Hydro-Quebec collectent l’information en temps réel de l’état du réseau et de ses équipements. Ceci permet au personnel de suivre l’état du réseau et d’effectuer des interventions. Des réseaux de communication sont déployés dans les postes électriques pour exécuter les différentes fonctionnalités.

Toutefois, les postes électriques sont des milieux particuliers. Ces milieux sont caractérisés par la présence concentrée de structures métalliques et par l’existence de plusieurs sources de perturbations électromagnétiques. Ces perturbations sont causées généralement par le fonctionnement des appareils et par la tension élevée véhiculée. Une partie significative de ces perturbations prend la forme de bruit impulsionnel. Ceci rend le déploiement des technologies sans fil problématique. En effet, les bruits sont habituellement considérés comme étant Gaussiens. Les récepteurs correspondants sont connus et bien développés. Cependant, utiliser ces récepteurs directement dans l’environnement de poste électrique risque d’aboutir à des performances en dessous des espérances. En effet, le bruit impulsionnel ne peut être considéré comme du bruit Gaussien et doit être traité différemment. Les causes, les effets et les moyens de traitement de ce bruit particulier doivent être identifiés afin d’assurer une communication plus fiable. Plusieurs modèles de bruit impulsionnel ont été proposés. Le développement de techniques de traitement de ce type de bruit est devenu possible. Ceci nous ramène à notre objectif principal qui est l’étude et le développement des techniques pour lutter contre les bruits impulsionnels dans le contexte des systèmes de communication sans fil dans les postes à haute tension.

SYSTÈME DE COMMUNICATION : GÉNÉRALITÉS 

Un système de communication transporte l’information d’une source à une ou plusieurs destinations via un support de transmission. Dans ce chapitre, les éléments qui forment un système de communication numérique ainsi que les principaux phénomènes affectant sa performance sont décrits.

Codage et décodage source

Si les signaux à transmettre sont analogiques, des opérations d’échantillonnage et de quantification sont nécessaires. Le codage source consiste à représenter l’alphabet source en alphabet binaire tout en supprimant la redondance et en optimisant au maximum la longueur des mots de code. À la réception, le décodeur source fait l’opération inverse pour reconstruire la séquence d’information originale.

Codage et décodage canal

Le canal de transmission n’étant pas parfait, les signaux transmis subissent des distorsions causées par les interférences, le bruit et les phénomènes de propagation. Le codage canal est appliqué pour réduire les effets de ces distorsions en ajoutant des bits de redondance et en appliquant des règles de combinaison sur les bits d’information. Sachant la loi de codage utilisée, le décodeur canal du récepteur soustrait les bits de protection et corrige certaines erreurs. Parmi les méthodes de codage canal, on cite : le codage de Hamming (Hamming, 1950), les turbos codes (Berrou et al., 1993), etc. Le codage canal permet une communication plus fiable mais avec une augmentation de l’utilisation de la largeur de bande. Toutefois, le gain de codage compense cette sur-utilisation.

Modulateur et démodulateur

Pour que les séquences binaires à la sortie du codeur canal puissent être transmises, il faut les convertir en des ondes de transmission. Cette opération est effectuée par le modulateur. Les bits sont regroupés dans des symboles, chaque symbole prend une forme d’onde l’identifiant d’une façon unique. Plusieurs types de modulations peuvent être effectués, notamment la modulation par déplacement d’amplitude (Amplitude-shift keying (ASK)), la modulation par déplacement de fréquence (Frequency-shift keying(FSK)) et la modulation par changement de phase (Phase shift keying PSK).

Canal de transmission 

Un canal de transmission véhicule le signal physique de la source à une destination. Dans une communication sans fil, le signal est une onde électromagnétique. L’onde propagée dans le canal est susceptible de subir des perturbations aléatoires sous plusieurs formes : atténuations, déphasage, multi chemin ce qui mène au phénomène d’évanouissement du signal. Ces phénomènes sont classifiés suivant deux catégories : les évanouissements à grande échelle et les évanouissements à petite échelle.

Les évanouissements à petite échelle

Une onde électromagnétique qui se propage d’une source à une destination interagit avec les obstacles (bâtiments, forêts, voitures, etc.) rencontrés sur son parcours suivant différentes façons. Plusieurs phénomènes de propagation apparaissent suite à ces interactions, notamment : la diffraction, la diffusion et la réflexion. La différence entre ces phénomènes réside dans la relation entre la longueur d’onde du signal et les dimensions de l’objet rencontré. Si la dimension de l’obstacle est inférieure à la longueur d’onde, on parle de diffraction, par exemple lorsque l’onde rencontre des surfaces pointues. Si la surface rencontrée est lisse et de dimensions supérieures à la longueur d’onde, des réflexions sont produites. La diffusion se produit lorsque la surface rencontrée possède une rugosité voisine ou inférieure à la longueur d’onde du signal.

Modélisation statistique du canal sans fil

Afin d’étudier les systèmes de communications, le canal est représenté mathématiquement par des distributions statistiques. Comme nous avons vu, les signaux traversant les canaux sans fil sont sujets à différents phénomènes physiques. Des modèles statistiques ont été développés afin de prédire le comportement du signal vis-à-vis ces phénomènes et modéliser le gain du canal. Un des modèles les plus utilisés est le modèle de Rayleigh. Ce modèle suppose un environnement très dispersif riche en réflexions uniformément réparties. Le récepteur reçoit plusieurs copies du signal transmis avec des gains et des retards différents sur chacun des trajets. Chacun des multi-trajet arrive avec une phase différente représentant les retards. Ces phases sont supposées uniformément réparties sur l’intervalle [0, 2π]. Les variations des amplitudes sont supposées être des variables aléatoires Gaussiennes et indépendantes.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SYSTÈME DE COMMUNICATION : GÉNÉRALITÉS
1.1 Introduction
1.2 Codage et décodage source
1.3 Codage et décodage canal
1.4 Modulateur et démodulateur
1.5 Canal de transmission
1.5.1 Les évanouissements à grande échelle
1.5.2 Les évanouissements à petite échelle
1.5.3 Sélectivité et cohérence du canal
1.5.4 Modélisation statistique du canal sans fil
1.6 Techniques de diversité
1.6.1 Diversité temporelle
1.6.2 Diversité fréquentielle
1.6.3 Diversité spatiale
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 BRUITS ET INTERFÉRENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
2.1 Introduction
2.2 Concepts du bruit et des interférences : généralités
2.2.1 Le bruit blanc Gaussien (BBG)
2.2.2 Les bruits non Gaussiens de type impulsionnel
2.3 Les bruits et les interférences dans les postes électriques à haute tension
2.3.1 Bruit de couronne et bruit de cavité
2.3.2 Décharges partielles
2.3.3 Les mesures des bruits impulsionnels
2.3.3.1 Mesures expérimentales des bruits impulsionnels dans les laboratoires
2.3.3.2 Les mesures des bruits et des interférences dans des postes électriques à haute tension
2.4 Modélisation des bruits impulsionnels : Revue de littérature
2.4.1 Le modèle de mélange Gaussien (Gaussian Mixture Models GMM)
2.4.2 Le modèle de Middleton
2.4.3 Le modèle Alpha stable symétrique
2.4.4 Les modèles de chaines de Markov
2.4.5 Modèle physique de (Au et al., 2015a)
2.4.6 Comparaisons des modèles
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 TECHNIQUES ET MÉTHODES DE RÉDUCTION DES BRUITS IMPULSIONNELS DANS LES SYSTÈMES DE COMMUNICATION SANS FIL
3.1 Introduction
3.2 Les récepteurs optimaux et sous optimaux pour les milieux corrompus par les bruits impulsionnels
3.2.1 Récepteurs optimaux et sous-optimaux
3.2.1.1 Récepteur MCA
3.2.1.2 Récepteur SαS
3.2.1.3 Récepteurs avec seuillage
3.2.2 Réduction des bruits impulsionnels par estimations itératives du bruit
3.2.3 Évaluation des performances des récepteurs optimaux et sousoptimaux
3.3 Conclusion
CHAPITRE 4 UTILISATION DES ANTENNES MULTIPLES POUR LA RÉDUCTION DU BRUIT IMPULSIONNEL
4.1 Introduction
4.2 Modélisation du bruit impulsionnel dans le contexte des antennes multiples
4.2.1 Approche mathématique
4.2.2 Approche physique
4.3 Hypothèse 1 : Interférences indépendantes sur les antennes réceptrices
4.3.1 Description du modèle
4.3.2 Le récepteur MRC
4.3.3 Le récepteur PDC
4.3.4 Simulations et discussions
4.4 Hypothèse 2 : Interférences dépendantes sur les antennes réceptrices
4.4.1 Modèle du système
4.4.2 Le récepteur proposé
4.4.2.1 Deux antennes à la réception
4.4.2.2 Plusieurs antennes à la réception
4.4.3 Simulations et discussions
4.5 Conclusion
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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