Communication Radio

8/11/2019 Communication Radio

http://slidepdf.com/reader/full/communication-radio 1/76

COMMUNICATIONS RADIOF aisceaux hertziens et satellites

Pierre LECOY



SPECTRE DES FREQUENCESRADIO

Pierre LECOY – Cours Communications radio

diffraction dominante diffraction faible propagation en visibilité directe

f 100 300 kHz 1 3 10 30 100 300 MHz 1 3 10 30 GHz

Télévision

VHF UHF

TV par satellites

Radiodiffusionondes: longues moyennes courtes FM

Communicationsmaritimes et

professionnelles

Communicationsfaisceaux hertziens

et satellites

Téléphonie mobile

l = c/f 3000 1000 300 100 30 10 3 1 m 30 10 3 1 cm

DAB (radio numérique) WLAN (réseaux locaux sans fil)

FH courte distanceet distribution

réflexion sur l'ionosphère





Communicationsmaritimes et

professionnelles

100 300 kHz 1 3 10 30 100 MHz

l = c/f

3000 1000 300 100 30 10 3 m

Radiodiffusionondes : longues moyennes courtes FM

réflexion sur l'ionosphère



MKR: 107.5MHz

-66.80dBm

RLV:-20.00dBm

RB 30kHz#

VB 30kHz#

AT 10dB#P

ST 10s#

CF:60.0MHz Span:120MHz

Tr-A10dB/

0 50 1

00 MHz

SPECTRE DES FREQUENCES RADIO

CB

Radio FM

Ondes courtes

Radio AM

Radio mobile professionnelle






Téléphonie mobile

FH courte distance

et distribution

Communicationsfaisceaux hertziens

et satellites

Télévision

VHF UHF

TV par satellites

DAB (radio numérique) WLAN (réseaux locaux sans fil)100 300 MHz 1 3 10 30 GHz

l = c/f

3 1 m 30 10 3 1 cm

f



SPECTRE DES FREQUENCES RADIO

RLV: 0.00dBm

RB 30kHz#

VB 30kHz#

AT 10dB#

ST 10s#

CF:1.500GHz Span:3.00GHz

UNCAL Tr-A10dB/

0 1

2 3 GHz

Téléphonie mobile (GSM)

Radio FM

Télévision WiFi





SYSTEMES HERTZIENS

Emetteur TVAntennes VHF




LIAISONS TRANSHORIZON• Dans la bande des ondes courtes (3 à 25 MHz)par réflexion sur l'ionosphère• Très longue portée, mais faible capacité• Restent employées pour quelques liaisons avec des

navires et les radio-amateurs

ionosphère

Terre


également par diffusiontroposphérique, de 40 MHz à

quelques GHz liaisons tactiques ….



LIAISONS TRANSHORIZON

• Antennes pour communications en ondes courtes

(H F , high frequencies)

Doc. Rhode & Schwartz




LIAISONS EN VISIBILITEDIRECTE

• Entre antennes placées sur des points hauts• Avec des relais actifs espacés d'environ 50 km

(courbure de la terre)emploi exceptionnel de réflecteurs passifs

• Fréquences: au delà de 2 à 3 GHz (microondes)bonne directivité des faisceaux et capacités élevées

relaisStation terminale

Station terminalerelais

d = 2hR

h hauteur des antennes; R rayon de la terre




PROPAGATION THEORIQUE

• Source isotrope :

Source, puissance P e

Récepteur, reçoit dP r /ds = P e/4pd2 d

onde sphérique






PROPAGATION THEORIQUE• Loi de transmission

entre deux antennes 1 et 2 :

Le récepteur reçoit :Pr = dP r /ds. S e

avec S e surface équivalente de l'antenne réceptrice

G(u) = 4p Se (u )/l 2 dans la direction u

P r = S e2 P eG 1/ p d 2 = P eG 1G 2 (l / p d) 2 = PIRE.G 2 (l

/ p d) 2




DEFAUTS DE PROPAGATION

• Réfraction par l'atmosphèredont l'indice décroît lorsque l'altitude augmente

Trajet réel du faisceau

• réduit la courbure apparente de la Terre• sensible aux conditions atmosphériques

possibilité de trajets multiples et de fadings

si conditionsexceptionnelle

s de propagation





• Réfraction par l'atmosphère

• en optique : responsable des mirages !





• Diffraction par les obstaclessi le « premier ellipsoïde de Fresnel » n’est pas dégagé

1er ellipsoïde de Fresnel

Sol

• atténue les signaux et provoque des brouillages• très gênant dans les communications avec les mobiles

r =

r

d1 d2

.. λ dd

.dd

21

21




I nterférences

espacement∆h = l d/2h


• Réflexion sur le sol (ou des constructions … )surtout sols lisses et humides, ou plans d’eau

Trajet réfléchi

Trajet direct

h h

d• remède : réception en diversité d’espace (pour FH fixes) • autres effets : dépolarisation, diffusion des ondes





• Absorption par l'atmosphère

0,01

dB/km

10

1

0,1

10 20 30 50 100 200 GHz

H 20

O 2

existence de « fenêtres »

FH fixes,satellites

FH mobiles,courtedistance

radars

Systèmes picocellulaires,distribution

• Dif fusion par les fortes

précipitations(à partir de 10 GHz)




REGLES D’AFFECTATION DES FREQUENCES dans les faisceaux hertziens

• 1: alternance des fréquencesémission et réception d'un relais à l'autre ;

relais relais

F1

F1

F1

F2

F2

F2

F3


Permet la réutilisationdes fréquences



REGLES D’AFFECTATION DES FREQUENCES dans les faisceaux hertziens

• 2: séparation des demi-bandes émission et réception ;• 3: Alternance des polarisations :

verticale (V) et horizontale (H)

circulaire droite et gauche(liaisons par satellites en dessous de 10 GHz)

f

H V H V H V H V

Demi-bande émission Demi-bande réception

H V H V H V H V




SCHEMA D’UNE LIAISON

HERTZIENNE

Station terminale Station relais Station terminale

modulateur

F.I.

F.I.

F.I.

hyperfréquence s hyperfréquences

démodulateur

démodulateur

signal Asortant

ém.

signal Aentrant

antennes

réc. guides d'ondessignal R

sortant

antennesguides d'ondes

ém. modulateur

signal Rentrant

ém.

réc.

réc.

ém.

réc.


F.I . = fréquence intermédiai re



EMETTEURSPrincipe de la transposition de fréquence :

(réalisée par un mélangeur à diodes) :FE = FHE + FI ou FE = FHE - FI

signal en fréquence intermédiaire Mélangeur signal en hyperfréquences

FI

FHE

FEampli limiteur filtre filtre ampli de puissanc

Oscillateur locald'émission

fréquence deréférence

venant dumodulateur

Antenne

FHE fréquence hétérodyne d'émission FI fréquence intermédiaire

commune aux différents canaux FE fréquence d'émission




RECEPTEURSPrincipe de la réception hétérodyne :

Mélangeur de réception :FI = FR - FHR ou FI = FHR - FRFHR = fréquence hétérodyne de réception

signal en hyperfréquence Mélangeur signal en fréquence intermédiaire

vers ledémodulateu

FI

FHR

filtre préamplificateur PAFI ampli à CAG

Oscillateur local deréception

fréquenceintermédiaire deréférence

AntenneFR

asservis

sement

correcteurde tpg

PAFI = préamplificateu en F.I.

Transpose la fréquencedu signal (et l’amplifie

éventuellement)




RECEPTEURSRécepteur en diversité d'espace :utilisé en cas d'interférences causées par des trajets multiples(fadings)

signal en hyperfréquence Mélangeur

vers ledémodulateur

FIfiltre préamplificateur

Oscillateur localde réception

Antenne 1 FR

asservis

sement

FIAntenne 2 FR

signal en hyperfréquence Mélangeur

PAFI

Combineur

Correcteur Espacement d'unedemi frange




ANTENNESAntennes paraboliquesTransforment en un faisceau parallèle une onde issue du foyer

guide d'ondes

Em/Réc

réflecteur parabolique Montage décalé

guide d'ondes

Faisceauémis oureçu ou module ém/réc

câble




ANTENNESAntennes paraboliques (pour satellites)


Montage décalé



ANTENNES


Antenne parabolique multifaisceaux



ANTENNESAntenne Cassegrain

très grand gain,pour grosses stations terriennes

de télécom par satellitesréflecteur principal parabolique

guided'ondes subréflecteur

hyperbolique

Faisceauémis ou reçu




AUTRES TYPES D’ANTENNES

• Antennes à rayonnement longitudinal :antennes cornetantennes à conducteur enroulé en hélicegain plus faible, mais plus compactes

• Antennes réseau : antennes plates comprenant un grand nombre de sources

synthèse d’un diagramme de rayonnement quelconqueUtilisation : radars, satellites

(en cours de développement)




AUTRES TYPES D’ANTENNES

• Antennes pour les réseaux de mobiles :ommnidirectionnelles

l /2

Antennes dipôle Antennes couvrant 3 secteurs

l /4

Sol réflecteur


Réflecteurs

Réseaux de dipôles



ANTENNES POUR RESEAUX

DE MOBILES

• Station de base(BTS, Base Transceiver

Station)

de/vers les mobilesFaisceauhertzien




ANTENNES POUR RESEAUX

DE MOBILES• sectorisation


• antennebi-bande



CARACTERISTIQUESDES ANTENNES

• Diagramme de rayonnement :gain G( u ) en coordonnées polaires

Diagramme copolaire (polarisation émise)

Diagramme contrapolaire (polarisation orthogonale)

« gain » dans l’axe :

G = 4pSe/l 2 Lobe principal

Lobes

secondaires

PPo

Découplage de polarisation :10 log P/P o (en dB)ouverture :

angle (plein)q

d = 70 l/ D

en degrés

qd




GUIDES D’ONDES

• Guides d’ondes métalliquesfaibles pertes, mais coûteux et rigides

elliptique rectangulairea

b

l /2 < a < l

b < l /2

(guidage monomodeen polarisation horizontale)

• Câbles coaxiaux (peu coûteux, pertes élevées)

• Fibres optiques se développent pour le déport du signalhyperfréquences




Em 1

F1

Em 3

F3

Em 5

F5 Filtres passe-bande

Emetteurs des canaux impairs

F’3

Réc 3

F’5

Réc 5Réc 1

F’1 Filtres passe-bande

Récepteurs des canaux impairs

circulateurs

Guides d’ondes

Circulateur commun

Guide vers l’antenne en polarisation horizontale(les canaux pairs sont en polarisation verticale)

(canaux suivants)

BRANCHEMENTS

F 3

F’ 3

F’ 1

F 5




BRUIT EN RECEPTION

composé de 3 termes :• le bruit capté par l’antenne

Pna = kT a ∆F avecT a température de bruit de l'antenne

Ta = 1/ 4p. T(q,f).G( q,f) df dq • le bruit du guide d’ondes

Pngo = kT go (1-A) ∆F • le bruit propre du récepteur

Pnr = kT r ∆F

Bruit del’environnement pondéré par le

gain de l’antenne

négligeable, saufcas particuliers

• Température de bruit globale : T n = A.T a + (1-A) T go + T r




Modulations utilisées :

- modulation de phase (MDP/PSK) à 4 ou 8 états,- modulation à saut de phase minimal (MSK),- modulation de phase différentielle (DPSK),- modulation d'amplitude en quadrature à 16 ou 64 états (MAQ/QAM 16/64)

FAISCEAUX HERTZIENSTERRESTRES

• Faisceaux hertziens analogiques :en modulation de fréquence

F.H.A. de téléphonie : remplacés par des systèmes numériquesLiaisons video (TV, videotrans.) : encore en partie analogiques

• Faisceaux hertziens numériques : Aux différents échelons de la hiérarchie numérique

(PDH à 2/8/34 Mbit/s, SDH à 155 Mbit/s)

Pour leshauts débits




FAISCEAUX HERTZIENSNUMERIQUES TERRESTRES


Bande Fréquences (GHz) Débit (Mbit/s) Modulation Puissance Utilisations

2,1 - 2,3 2 / 8 / 34 MDP4 250 mW réseau localS

3,8 - 4,2 2 x 34 MDP8 0,5 - 1W

C5,9 - 7,1 140 ou 155

MAQ16 ou MAQ64 0,4 à 1 W réseau

7,4 - 7,7 2 / 8 / 34 MDP4 0,1 - 0,4 W longue distance

8 - 8,5 2 x 34 MDP8 0,5 - 1 WX

10,7 - 11,7 140 ou 155 MDP8 10 W

12,75 - 13,25 2 x 34 MDP4 10 à 160 mW videoKu

14,4 - 15,35 MSK liaisons urbaines

17,7 - 19,7 à la demande MDP4 10 à 100 mW courte distanceK

22,5 - 23,5 2 / 8 / 34 MDP4 10 à 50 mWliaisons

d’entreprises

Ka 31 et 382 / 8 / 34155

MSK MAQ 64

10 à 30 mW200 mW et mobiles



Tour hertzienne Doc. France Télécom

FAISCEAUX HERTZIENS

Antenne defaisceaux hertziens




FAISCEAUX HERTZIENS

Faisceau

hertziend’entreprise Doc. Alcatel




FAISCEAUX HERTZIENSNUMERIQUES

Jonctionnormalisée

MultiplexageEmbrouillage Logique

voies de service

binaire n états

Modulateur en FI

Emetteur

Sens émission

FI

RécepteurFI

Démodulateur en FI

Récup. porteuse

Récup.horloge

Egaliseur bande de

base

Régénérateur

voies de service

DésembrouillageDémultiplexage

Jonctionnormalisée

Sens réception




FAISCEAUX HERTZIENSNUMERIQUES

• Modulation directe en hyperfréquences :Oscillateur Amplificateur Modulateur Filtre

Emission

Signalnumérique Démultiplexeur

a b

MDP4

déphase (ou non) de p déphase (ou non)

de p/2

• Principe du modulateurà 4 états de phase : a b

circulateurs

guides

l/4 l/8




SYSTEMES HERTZIENS

Qualité de la transmission :

Deux critères distincts :- le taux d'erreurs moyen : de l'ordre de 10 -9

dans les conditions normales de propagation

- la plus mauvaise valeur en cas de conditions dégradées

ex (CCIR) : < 10 -6 pendant moins de 8% du temps< 10 -3 pendant moins de 0,2% du temps

(risque de coupure de la liaison)

Avantage aux fréquences élevées

Inconvénient des fréquences élevées




SYSTEMES HERTZIENS

Carte de pluviométrieen France


Pleumeur Bodou



BILAN DE LIAISONPuissance de l'émetteur p e (dBW) = 10 log P e (W)- Perte dans les guides d'émission - a e (dB)+ Gain de l'antenne d'émission + g e (dB) = 10 log G e = Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente PIRE (dBW)- Atténuation de transmission - a T (dB) = - 20 log ( 4pd/l)- Atténuation atmosphérique - a a (dB) = - ad

( a en dB/km) + Gain de l'antenne de réception + g

r(dB) = 10 log G

r

- Perte dans les guides de réception - a r (dB)= Puissance reçue p r (dBW) = 10 log P r (W)




BILAN DE LIAISON

Présentation graphique (hypsogramme)

émetteur

Pe

antennes

Ge

G r

20 log ( 4pd/l)

récepteur

Pr

PIRE

rapport signal/bruit+ marge

niveau du bruit

Bruit :Densité spectrale kT n

T n température debruit en réception




Télévision directe

par satellite

HISTOIRE DES SATELLITES

• 1962 : premier satellite de télécom Satellite à défilement, en orbite basse : liaison

non permanente Amérique du Nord - Europe

• 1965 : premier satellite géosynchrone

• années 1990 : projets de constellations desatellites de téléphonie directe


• 1965 - 1980 : déploiement du système Intelsat

• 1982 : système InmarsatPremiers réseaux,

numériques• 198x : Télécom 1



TYPES DE SATELLITES

• Satellites géosynchrones à 35 800 km d'altitude :(GEO, Geosynchronous Earth Orbit )

Position moyenne fixe dans le ciel (avec perturbations)Temps de propagation assez élevé

Cas de la majorité des satellites de télécom et de télévision

• Satellites à défilement en orbite basse :(LEO, Low Earth Orbit , de l’ordre de 1000 km)

• Communications avec les régions polaires• Communications avec des stations au sol

de faibles puissances (mobiles, portables) constellation de satellites pour une couverture globale

Faible tempsde propagation




MISSIONS DES SATELLITES

• Liaisons fixes intercontinentales

(téléphone, télévision)exemple : système Intelsat (analogique)

peu compétitives pour les hauts débits face aux câbles sous marins ; plutot liaisons isolées à faibles débits (îles … )

• Réseaux reliant un grand nombre d'utilisateurs : • réseaux de pays peu équipés en infrastructures terrestres ;• desserte de régions isolées ou d’accès difficile ; • réseaux de transmissions de données, publics ou privés

exemples : Télécom 1/2, Eutelsat, SBS (numériques)


Emploi ennet recul




• Liaisons avec les mobiles• Navires, avions, véhicules terrestres,

individus équipés de récepteurs portables• Communications numériques antennes peu encombrantes,

émetteurs de puissance limitée.• Utilisent l' accès multiple à répartition dans le temps (AMRT)

exemples : réseau INMARSAT

• Systèmes de téléphone direct par satellites à couverture mondiale par une constellation de satellites LEOGrandes incertitudes économiques (projets Iridium, Globalstar .. )





• Satellites de diffusion

• Télévision directe (analogique ou numérique)• Accès Internet (sens descendant seulement) • Diffusion d'informations météorologiques (Meteosat) • Systèmes de géolocalisation (GPS, projet Galileo)

Un même satellite peut assurer plusieurs missionsexemple : familles Télécom 1/2




SATELLITES


Satellite Télécom 1 en cours d’assemblage

Doc. France Télécom



LIAISONS PAR SATELLITES

• Particularités de la propagation : • très grande distance atténuation très élevée

et temps de propagation non négligeable• effets dus à la Terre limités (diffraction, réflexions sur les

obstacles, bruit thermique … ) • risque de coupures dues aux très fortes précipitations

(au delà de 10 GHz) • effets de l’ionosphère : rotation de la polarisation

(en dessous de 10 GHz)• effet de scintillation à travers l’atmosphère (fluctuations d’indice)

• problèmes d’encombrement de l’orbite géosynchrone





• Contraintes technico-économiques : • place et masse limitées à bord du satellite

taille des antennes et puissance des émetteurs très forte puissance des émetteurs terriens

• réduction de la taille et du coût des récepteurs au sol(pour TV directe ou communications individuelles)

• Choix des modulations :• très faible rapport S/B mais bande passante disponible

modulations : FM (analogique) ou QPSK (numérique)

M odulations à spectre étal é





• hypsogramme d’une liaison :

émetteur récepteur

Pe

Ge

Pr

G r

20 log (4p

d/ )

rapport porteuse/bruit + marge

niveau du bruit

l

réc ém

Satellite

20 log (4 p d/ )l

amplification à bord du satellite

gains des antennesdu satellite

Stations terriennesPIREterre

PIRE satellite

Sens montant

Sens descendant




Orbite géosynchrone

LANCEMENT D’UN SATELLITE

Terre

Orbite de transfert

apogée




LANCEMENT D’UN SATELLITE

Lanceur Ariane 5

Doc. EADS




SATELLITES

Satellite Télécom 2 dans l’espace

Doc. Matra Marconi Space

panneaux solaires

antennes


EQUIPEMENTS D’UN



Sous-systèmes : • moteur d'apogée• sous système de maintien en position (sur l'orbite)

• sous système de maintien en attitude(orientation par rapport à la Terre)

• dispositifs de télémesures et télécommande• alimentation en électricité du satellite

(panneaux solaires + batteries)• régulation thermique des équipements embarqués• antennes• répéteurs (ou transpondeurs)

EQUIPEMENTS D’UNSATELLITE




REPETEURS SATELLITE

Système analogique

fréquencemontante F m

fréquencedescendante F d

Préamplificateur(sur F m)

Mélangeur(chang t de fréquence)

Oscillateur

Amplificateurde puissance (sur F d)

Filtre

Utilisable en numérique, mais ne régénère pas le signal




REPETEURS SATELLITE

Système numérique

fréquencemontante F m

fréquencedescendante F d

Préamplificateur(sur F

m)

Démodulateur

Oscillateurs

Amplificateurde puissance (sur F d)

Traitement en bande de base(régénération, multiplexage, commutation, correction d'erreurs...)

Modulateur




EQUIPEMENTS SATELLITE

Doc. Alcatel

Charge utile Emetteur




FREQUENCES SATELLITE

Liaison Montante Descendante Inter-satellites

Télémesures – télécommandes

2 GHz 2,2 GHz

Télécom

Nouveaux systèmes

6 GHz8 GHz

13/14 GHz30 GHz

4 GHz7 GHz

11/12 GHz20 GHz

23 GHz

Faisceaux laser

Télévision 10,7 à 11,7 GHz 11,7 à 12,7 GHz

Mobiles 1,6 GHz 1,5 GHz




STATIONS TERRIENNES

Poursuite dusatellite

Commandeantenne

Antenne captant les

signaux baliseMouvementen élévation

Subréflecteur

Réflecteur principal

cornetduplexeur

Emetteur

Récepteur

Mouvementen rotation




STATIONS TERRIENNES

Station de Bercenay en Othe (Aube)




STATIONS TERRIENNES

Station de Bercenay en Othe (Aube)




STATIONS TERRIENNES

Station des Trois Ilets (Martinique)




STATIONS TERRIENNES

Station VSAT(very small antenna terminal)

Station mobile

Doc. Alcatel




COUVERTURE SATELLITE

Exemple dusatellite Astrapour l’Europe





Exemple dusatellite

Eutelsat II





Exemple du

satelliteIntelsat 806





Exemple dusatellite

Nilesat

PIRE > 50 dBWPIRE > 47 dBW





Exemple dusatellite ST-1

pour l’Asie

PIRE > 52 dBWPIRE > 48 dBW




SYSTEME GPS

Système ( principe: localisation par rapportà une constellation de satellites)

un satellite Doc. NASA


SYSTEMES DE COMMUNICATION



SYSTEMES DE COMMUNICATIONAVEC LES MOBILES

Application Fréquences Modulation Fonctionnement Service maritime longuedistance

4 à 22 MHz(ondes courtes)

BLU (son)PSK (telex)

Semi-duplex

CB (Citizen's band) 27 MHz BLU Canal unique

Réseaux privés (anciens) 30 à 40 MHz68 à 82 MHz

BLU ou FM Canal unique ou"bifréquence"

Radiomessagerie 87,3 MHz (Eurosignal)466 MHz (Alphapage)

numérique(FSK)

Unidirectionnel


(PMR) (norme TETRA)

400 MHz ou autres

suivant réglementation

numérique

(DQPSK)

Cellulaire

ou liaison directe

Service par satellite (Inmarsat) 1,5 à 1,6 GHz FM Duplex intégral

Boucle locale radio (MMDS)(LMDS)

3,5 GHz28 GHz

OFDM réseau d’accès


SYSTEMES DE COMMUNICATION



SYSTEMES DE COMMUNICATIONAVEC LES MOBILES

Application Fréquences Modulation Fonctionnement

Radiotéléphone cellulaireanalogique (1ère génération)

200 MHz406 à 470 MHz

FM Duplex intégral;Réseau cellulaire

Téléphone sans fil (CAI) 864 à 868 MHz numérique(FSK)

Duplex intégraltrès courte portée

Radiotéléphone cellulairenumérique (2ème génération)

890 à 960 MHz (GSM) 1710 à 1880 MHz (DCS)

numérique(GMSK)

Réseau cellulaireTDMA

DECT 1890 - 1900 MHz FSK Micro-cellulaireTDMA/TDD

Mobile multimedia UMTS(3ème génération)

1,9 - 2 GHz QAM 16 W-CDMA

Réseaux locaux sans fil :Ethernet (10 Mbit/s) WiFi Hiperlan (jusqu’à 54 Mbit/s)

2,4 GHz5,2 GHz

QAM ,OFDM

type LAN pico-cellulaire

Bluetooth 2,45 GHz numérique Domotique,

Documents

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