M2107 : Principes des transmissions radio T _ Trans

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M2107 : Principes des transmissions radio
T _ Trans
Frédéric PAYAN
IUT Nice - Côte d’Azur - Département R&T
Université de Nice Sophia Antipolis
[email protected]
3 février 2016
1/76
Présentation du module
Modules du 2ème semestre
Deux matières : T_trans, et E_trans (50% - 50%)
Contenu :
6h Cours magistraux (FP+NF)
12h de TD (FP+NF)
12h de TP (MG+OM+NF)
M2108 : Chaine de transmission numérique
2 matières : T_TrNum (2/3 CT) + T_Comp (1/3 FP)
2/76
Chapitre 1 : Introduction à la Transmission Radio
Introduction
Plan du cours
1
2
Introduction
Exemples de transposition en fréquence
3
Chapitre 2 : La modulation analogique
Introduction
La modulation DBSP
La modulation DBAP (ou AM)
La modulation BLU
La modulation BLR
3/76
Introduction
Définition
Transmission radio
Transmission : envoyer un signal contenant une information (le
message) à l’aide d’un support de transmission (canal).
Transmission radio : envoyer un message avec une onde
radioélectrique comme support de transmission.
5/76
Introduction
Spectre électromagnétique
6/76
Introduction
Revenons un peu en arrière...
Les télécommunications débutent au milieu du 19esiècle, dans le
contexte de l’expansion industrielle et du développement du
chemin de fer.
Etapes cruciales
1838 : Transmission de données (télégraphe électrique)
1858 : Première transmission transatlantique via un cable
sous-marin de...4200kms !
1876 : Transmission de la voix (téléphone)
1888 : Découverte des ondes => le réseau devient planétaire !
11/76
Introduction
Histoire des transmissions radio I
1888 : Découverte des ondes electromagnétiques par Heinrich Hertz.
1895 : Envoi d’un message via des ondes par Guglielmo Marconi.
1895 : Alexandre Popov invente l’antenne.
1901 : Guglielmo Marconi transmet un télégramme par ondes
d’Angleterre à Terre-Neuve => radiotélégraphie.
1906 : Reginald Fessenden réalise la 1ère émission radio de voix et
musique => radiodiffusion.
12/76
Introduction
Histoire des transmissions radio II
1921 : Edwin Armstrong invente la FM (Modulation de Fréquences).
1928 : 1ère liaison radiotéléphonique commerciale transatlantique.
1935 : 1ère émission TV en France (Paris).
1956 : Premier réseau de radiotéléphonie français (10 000 abonnés).
1957 : Premier satellite artificiel : Spoutnik-1.
13/76
Introduction
Histoire des transmissions radio III
1962 : 1er satellite de communication ("Telstar-1"), destiné aux
communications téléphoniques et télévision. => 1ère émission
de télévision entre USA et Europe.
14/76
Introduction
Histoire des transmissions radio IV
1984 : Début des réseaux cellulaires de radiocommunications mobiles
aux USA.
1986 : Ouverture du service de mobiles "Radiocom2000" (première
génération de téléphonie mobile... en voiture !)
1993 : lancement commercial de la 2ème génération de téléphonie
mobile (GSM) en France (ITINERIS).
2004 : Lancement de l’UMTS en France, 3ème génération de
téléphonie mobile.
15/76
Introduction
Histoire des transmissions radio V
2012 : Lancement du LTEa en France, 4ème génération de téléphonie
mobile.
16/76
Introduction
Problématique I
Transmission radio = La bande passante des canaux sont
dans les hautes fréquences.
Les signaux à transmettre ont naturellement une bande de
base dans de "faibles" fréquences.
voix humaine : entre 0 et 10 KHz
musique : entre 0 et 20 KHz
vidéo : entre 0 et plusieurs MHz
=> Le signal n’est pas adaptée au canal.
Emetteur
Signal
Canal
Récepteur
Bande passante du canal
fréquence
Spectre du signal
17/76
Introduction
Problématique II
Solution : Il faut transposer le signal dans les hautes
fréquences.
Emetteur
Canal
???
Signal
transposé
???
Récepteur
fréquence
Spectre du signal transposé
Ainsi, le signal est adapté au canal.
On parlera dans ce cas de transmission en bande transposée.
18/76
Introduction
Problématique III
Coté récepteur, il faudra évidemment ramener le signal dans sa
bande de base avant de pouvoir l’utiliser.
Emetteur
???
Canal
???
Récepteur
fréquence
19/76
Plan du cours
1
2
Introduction
3
Introduction
La modulation DBSP
La modulation BLU
La modulation BLR
20/76
Exemples d’applications I
Le multiplexage fréquentiel
f
Modulation
porteuse fa
f
Modulation
porteuse fb
f
Modulation
porteuse fc
…
fa
fb
fc
f
utilisée pour
la radio AM, FM
La télévision analogique/numérique terrestre
La télévision via Satellite
La téléphonie mobile (GSM (2G), UMTS (3G), LTEa (4G)...)
21/76
Exemples d’applications II
Le duplexage fréquentielL’interface Air en GSM
Voie montante : 890-915 MHz
Voie descendante : 935-960 MHz
Le courant porteur sur ligne
22/76
Exemples d’applications III
Signal composite : signal comportant plusieurs informations à
différentes fréquences.
Exemple : télévision par satellite
Exemple : émission FM (+ Stereo + RDS)
23/76
Introduction
Plan du cours
1
2
Introduction
3
Introduction
La modulation DBSP
La modulation BLU
La modulation BLR
24/76
Introduction
Principe de la modulation
Définition de la modulation
Le principe de la modulation est de transformer un signal (le
message) en un signal adapté au canal.
Cela peut se faire, par exemple, en utilisant un signal porteur,
souvent appelé une porteuse.
Définition de la Porteuse
la porteuse, est généralement un signal sinusoïdal, dont on va
faire varier un paramètre (amplitude, fréquence...) en fonction du
message. On dit que la porteuse est modulée par le message.
La porteuse a généralement une fréquence beaucoup plus
élevée que le message.
25/76
Introduction
Schéma général d’une modulation/démodulation
message
Emetteur
signal modulé
Modulation
Porteuse
Canal
Démodulation
Récepteur
fp
f
f
f
fp
Spectre du message
Spectre du signal modulé
Spectre du message
Il existe plusieurs types de modulation. Le premier type est la
modulation analogique (vu durant ce cours). Une autre est la
modulation numérique (que vous verrez plus tard).
26/76
Introduction
La modulation analogique
Il existe plusieurs types de modulation analogique :
1
La Modulation d’amplitude : l’amplitude de la porteuse varie en
fonction du message.
2
La Modulation de fréquence : la fréquence de la porteuse varie
en fonction du message.
3
La Modulation de phase : la phase de la porteuse varie en
fonction du message.
27/76
Introduction
Modulation d’amplitude vs modulation de fréquence
Message
1
0
−1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
2.5
3
3.5
4
3
3.5
4
3
3.5
4
Porteuse
1
0
−1
0
0.5
1
1.5
2
Modulation d’amplitude
5
0
−5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Modulation de fréquence
1
0
−1
0
0.5
1
1.5
2
2.5
28/76
Introduction
Théorème de la modulation d’amplitude
soit un signal s(t), que l’on multiplie par une harmonique de
fréquence f0 . On obtient
y (t) = s(t) × cos(2πf0 t + θ).
Théorème général
Si la fréquence f0 est très grande par rapport à la bande de base
de s(t), alors on peut montrer que
Y (f ) =
e(jθ)
e(−jθ)
S(f − f0 ) +
S(f + f0 ).
2
2
29/76
Introduction
Théorème simplifié
Soit un signal s(t), que l’on multiplie par une harmonique de
fréquence f0 et de phase nul pour obtenir
y(t) = s(t) × cos(2πf0 t).
Si la fréquence f0 est très grande par rapport à la bande de
base de s(t), alors on peut montrer que
Y(f) =
1
[S(f − f0 ) + S(f + f0 )].
2
Y( f )
S( f )
−𝑓𝑚𝑚𝑚
0
𝑓𝑚𝑚𝑚
f
− f0
0
f0
f
30/76
Introduction
I A vos clickers ! J
Soit le message 2.cos(2.π.50.t). On multiplie ce message par
cos(2.π.400.t), et on obtient y(t).
A quoi va ressembler le spectre Y (f ) ?
Y( f )
Y( f )
1
0,5
-450
-350
350
450
f
-450
-350
350
450
f
Y( f )
1
Y( f )
0,5
-400
400
f
-400
400
f
31/76
Introduction
Quizz
Soit le signal aléatoire x(t) qui possède un spectre de la forme
suivante :
X(f)
f (en Hz)
-1600
-400
400
1600
I A vos clickers ! J Quelle est la largeur de la bande latérale
supérieure ?
1
1200 Hertz
2
1600 Hertz
3
2400 Hertz
3200 Hertz
4
32/76
Introduction
Quizz
Y(f)
Soit le signal aléatoire y (t) qui possède
un spectre de la forme suivante :
4
f (en Hz)
-400
-200
200
400
I A vos clickers ! J On le multiplie par une harmonique de fréquence
1kHz. Quel est le spectre du signal sm (t) obtenu ?
33/76
Introduction
Principales techniques de modulation d’amplitude
Il existe 4 techniques principales :
1
la modulation à Double Bande Sans Porteuse (DBSP),
2
la modulation à Double Bande Avec Porteuse (DBAP, ou AM),
3
la modulation à Bande Latérale Unique (BLU).
4
la modulation à Bande Latérale Résiduelle (BLR).
34/76
La modulation DBSP
Plan du cours
1
2
Introduction
3
Introduction
La modulation DBSP
La modulation BLU
La modulation BLR
35/76
La modulation DBSP
Principe de la modulation DBSP
1
Schéma de modulation :
𝑚(𝑡)
(𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)
×
𝑝(t) = cos(2𝜋𝑓𝑝 𝑡)
~
2
(𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)
𝒔𝒎 𝒕 = 𝒎 𝒕 × 𝒑(𝒕)
(𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑜𝑜 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝)
Signal modulé :
sm (t) = m(t) × cos(2πfp t).
3
Spectre fréquentiel du signal modulé :
Sm (f ) =
1
[M(f + fp ) + M(f − fp )] .
2
36/76
La modulation DBSP
Analyse fréquentielle de la modulation DBSP
Espace Temps
𝒎(𝒕)
𝑝(𝑡)
𝒔𝒎 (𝒕)
Espace Fréquence
𝑴(𝒇)
Message
Porteuse
𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
Signal modulé
𝒇𝒑
𝑺𝒎 (𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
37/76
La modulation DBSP
Bande transmise d’un message modulé en DBSP
I A vos clickers ! J sachant que le message d’origine a une bande
de base notée b, quelle est la largeur de la bande transmise (BT)
d’un message modulé en DBSP ?
1
2
BT = b
BT = B/2
3
BT = 2b
4
BT = 0
5
BT = fp
6
nous n’avons pas toutes les informations pour conclure.
38/76
La modulation DBSP
Comment démoduler un signal DBSP ?
Pour démoduler un signal modulé avec la technique DBSP, on
effectue une démodulation cohérente (ou synchrone).
𝑠𝑚 (𝑡)
×
𝑑(𝑡)
Filtre
Passe-bas
𝒑𝒑(t) = cos(2𝝅𝒇𝒑 𝒕)
𝑚𝑚(t)
(𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)
~
39/76
La modulation DBSP
Analyse fréquentielle de la démodulation cohérente
Signal modulé
DBSP
Signal p’(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
𝑷𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
40/76
La modulation DBSP
Signal modulé
DBSP
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
𝑷𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
41/76
La modulation DBSP
Signal modulé
DBSP
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
𝑷𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
42/76
La modulation DBSP
Signal modulé
DBSP
Signal d(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝑫(𝒇)
𝒇
𝒇
43/76
La modulation DBSP
Signal modulé
DBSP
Signal d(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝑫(𝒇)
𝒇
Gabarit du filtre passe-bas
44/76
La modulation DBSP
Signal modulé
DBSP
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
45/76
La modulation DBSP
Signal modulé
DBSP
Signal d(t)
Signal m’(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝑫(𝒇)
𝑴𝑴(𝒇)
𝒇
𝒇
𝒇
46/76
La modulation DBSP
Avantages/inconvénients de la modulation DBSP
m0 (t) =
1
m(t)
2
Un avantage : modulation très simple.
Des inconvénients : la démodulation.
1
2
La porteuse coté récepteur p0 (t) doit être identique en
fréquence et en phase avec la porteuse coté émetteur p(t) ;
La bande transmise BT est égale au double de la bande de
base b du message original.
49/76
Plan du cours
1
2
Introduction
3
Introduction
La modulation DBSP
La modulation BLU
La modulation BLR
50/76
Idée : transmettre la porteuse avec le message.
Schéma de modulation :
𝑚(𝑡)
+
𝑐 𝑡 =𝐴
Signal modulé :
↑𝐴
×
~
𝑠𝑚 𝑡 = [𝑚 𝑡 + 𝐴] × 𝑝(𝑡)
𝑝(𝑡) = 𝑐𝑐𝑐(2𝜋𝑓𝑝 𝑡)
sm (t) = [m(t) + A] × cos(2πfp t)
Spectre fréquentiel du signal modulé :
Sm (f ) =
1
A
[M(f + fp ) + M(f − fp )] + [δ(f + fp ) + δ(f − fp )]
2
2
51/76
Analyse fréquentielle de la modulation DBAP
Espace Temps
𝒎(𝒕)
𝐴
𝒎 𝒕 +𝑨
𝒔𝒎 (𝒕)
Espace Fréquence
𝑴(𝒇)
Message
𝒕
Message + tension
continue
𝑨
Signal modulé
𝑨
𝟐
𝒇𝒑
𝑴 𝒇 + 𝑨 × 𝜹(𝒇)
𝒇
𝒕
𝒕
𝒇
𝑺𝒎 (𝒇)
𝒇𝒑
𝒇
52/76
Comment démoduler un signal DBAP ?
Pour démoduler on peut utiliser un détecteur d’enveloppe.
sm (t )
t
m' (t )
Détection
d’enveloppe
t
Pour que cette méthode fonctionne, il faut respecter
A + m(t) > 0 ou A ≥ |min(m(t))| .
Sinon il y a distorsion d’enveloppe ou surmodulation.
53/76
Détection d’enveloppe : exemple OK
5
Message original
0
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
5
Signal modulé
0
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
5
Signal modulé
Message original
Enveloppe
0
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
54/76
Détection d’enveloppe : exemple KO
5
Message original
0
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
5
Signal modulé
0
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
5
Signal modulé
Message original
Enveloppe
0
−5
−4
−3
−2
−1
0
1
2
3
4
55/76
Avantages/inconvénients de la modulation DBAP (ou
AM)
Les avantages : la modulation et la démodulation sont simples,
mais il faut respecter
A + m(t) > 0 ou A ≥ |min(m(t))| .
Les inconvénients
la porteuse transmise contient une grande partie de l’énergie du
signal : le rendement de la transmission est faible.
la bande transmise BT est toujours égale au double de la
bande de base b du message original.
56/76
La modulation BLU
Plan du cours
1
2
Introduction
3
Introduction
La modulation DBSP
La modulation BLU
La modulation BLR
57/76
La modulation BLU
Principe de la modulation BLU
1
Idée : transmettre uniquement 1 des 2 bandes latérales du
signal.
2
Schéma possible de modulation : le discriminateur de fréquence.
𝑚(𝑡)
(𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝐷𝐷𝐷𝐷)
×
𝑝(t) = cos(2𝜋𝑓𝑝 𝑡)
~
3
Filtre
Passe-bande
𝒔𝒎 (𝐭)
2 approches possibles : BLUs (supérieur) ou BLUi (inférieur).
58/76
La modulation BLU
Analyse fréquentielle de la modulation BLU
Message
𝑴(𝒇)
𝒇
59/76
La modulation BLU
𝑴(𝒇)
Message
𝑺𝑫𝑫𝑫𝑫 (𝒇)
Signal modulé
DBSP
𝒇𝒑
𝒇
𝒇𝒑
𝒇
60/76
La modulation BLU
Message
𝑴(𝒇)
𝒇
Gabarit du filtre
passe-bande
𝒇
61/76
La modulation BLU
Message
𝑴(𝒇)
𝒇
Gabarit du filtre
passe-bande
𝒇
62/76
La modulation BLU
𝑴(𝒇)
Message
𝒇
Gabarit du filtre
passe-bande
𝒇
Signal modulé BLUs
𝒇𝒑
𝑺𝒎 (𝒇)
𝒇𝒑
𝒇
63/76
La modulation BLU
𝑴(𝒇)
Message
𝒇
Gabarit du filtre
passe-bande
𝒇
Signal modulé BLUi
𝒇𝒑
𝑺𝒎 (𝒇)
𝒇𝒑
𝒇
64/76
La modulation BLU
Comment démoduler un signal BLU ?
Pour démoduler un signal modulé avec la technique BLU, on
peut utiliser une démodulation (cohérente ou synchrone).
𝑠𝑚 (𝑡)
×
𝑑(𝑡)
Filtre
Passe-bas
𝒑𝒑(t) = cos(2𝝅𝒇𝒑 𝒕)
𝑚𝑚(t)
(𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)
~
66/76
La modulation BLU
Analyse fréquentielle de la "démodulation BLUs"
Signal modulé
BLUs
Signal p’(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
𝑷𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
67/76
La modulation BLU
Signal modulé
BLUs
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
𝑷𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
68/76
La modulation BLU
Signal modulé
BLUs
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
−𝒇𝒑
𝑷𝑷(𝒇)
𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
𝒇
69/76
La modulation BLU
Signal modulé
BLUs
Signal d(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝑫(𝒇)
𝒇
𝒇
70/76
La modulation BLU
Signal modulé
BLUs
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝒇
𝒇
71/76
La modulation BLU
Signal modulé
BLUs
Signal d(t)
Signal m’(t)
𝑺𝒎 (𝒇)
−𝒇𝒑
𝒇𝒑
𝑫(𝒇)
𝑴𝑴(𝒇)
𝒇
𝒇
𝒇
72/76
La modulation BLU
Résumé sur la modulation BLU
m0 (t) =
1
m(t)
4
L’avantage :
La bande transmise (BT) est égale à la bande de base (b) :
BT = b .
74/76
La modulation BLU
Résumé sur la modulation BLU
m0 (t) =
1
m(t)
4
L’avantage :
La bande transmise (BT) est égale à la bande de base (b) :
BT = b .
Les inconvénients :
A la modulation : filtre avec des pentes très raides (une solution :
réseau déphaseur)
A la démodulation : utilisation d’un démodulateur synchrone. il faut
donc connaître la fréquence et la phase de la porteuse...
74/76
La modulation BLR
Plan du cours
1
2
Introduction
3
Introduction
La modulation DBSP
La modulation BLU
La modulation BLR
75/76
La modulation BLR
Principe de la modulation BLR
Cette technique élimine les inconvénients de la BLU (filtre à
pente raide).
On ne transmet pas uniquement une bande latérale ; on
transmet une bande latérale + un résidu de l’autre :
Signal modulé BLR avec porteuse
Gabarit du filtre
passe-bande
BT ≈ 1, 25 × b .
𝒇
Mise en oeuvre moins contraignante.
Application : Télévision analogique terrestre.
76/76

M2107 : Principes des transmissions radio T _ Trans

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