64
COURS DE FAISCEAUX HERTZIENS IGTT2 ESMT 2015

Cours de Fh Igtt2 2015

Embed Size (px)

DESCRIPTION

cours transmission FH 2015

Citation preview

Page 1: Cours de Fh Igtt2 2015

COURS DE FAISCEAUX HERTZIENS

IGTT2 ESMT 2015

Page 2: Cours de Fh Igtt2 2015

1 – Propagation des ondes radioélectriques

1 – 1 – Utilisation du spectre des fréquences1 – 2 – Différents types de liaisons radioélectriques1 – 3 – Equation théorique de propagation1 – 4 – Défaut de la propagation réelle1 – 5 - Règles d’affectation des fréquences dans les faisceaux

Hertziens

2 - Equipements des liaisons hertziennes

2 – 1 – Organisation générale2 – 2 – Emetteurs2 – 3 – Récepteurs2 – 4 – Antennes2 – 5 - Caractéristiques des antennes2 – 6 – Branchement et guides2 – 7 – Bruit en réception2 – 8 – Calcul du bruit capté par l’antenne

3 – Faisceaux hertziens terrestres3 – 1 – Définitions3 – 2 – Faisceaux hertziens numériques : Principes3 - 3 - Equipement des faisceaux hertziens numériques3 – 4 – Qualité de la transmission3 – 5 – Exemple de calcul de la puissance « seuil » réception3 – 6 – Bilan de liaison

2

Page 3: Cours de Fh Igtt2 2015

1 – Propagation des ondes radioélectriques

1 – 1 – Utilisation du spectre des fréquences

Le domaine des fréquences utilisées pour les communications par ondes électromagnétiques est très large. On parle d’ondes radioélectriques lorsque ces fréquences peuvent être directement traitées par des circuits électroniques, ce qui en exclut les ondes optiques qui sont aussi des ondes électromagnétiques dont les propriétés de propagation ressemblent à celles des hyperfréquences, mais dont les émetteurs et récepteurs sont tout à fait différents.

Les ondes radioélectriques s’étendent de quelques dizaines de kHz à plus de 100 GHz, et se divisent en grands domaines de fréquences en fonction de leur mode de propagation. A l’intérieur de ces domaines, l’affectation des fréquences entre les différents utilisateurs est régulée par des autorités administratives nationales et internationales, les fréquences disponibles apparaissant comme une ressource naturelle de plus en plus rare et qui doit être gérée rationnellement.

Si les lois de l’électromagnétisme sont les mêmes à toutes les fréquences, il en est une, la diffraction, dont les conséquences sont très différentes suivant l’ordre de grandeur de la longueur d’onde.

En effet, jusqu’à quelques dizaines de MHZ, c’est à dire quelques mètres de longueur d’onde (), les obstacles naturels sont plus petits que et la diffraction domine, acheminant les ondes vers des récepteurs qui ne sont pas en vision directe de l’émetteur, par dessus l’horizon ou en contournant les obstacles. Ceci privilégie l’application à la radiodiffusion à longue portée en ondes longues, moyennes et courtes. Les ondes courtes utilisent en outre un phénomène de réflexion sur l’ionosphère. Par contre, ces fréquences faibles et non réutilisables correspondent à de faibles capacités de transmission et se limitent aux transmissions du son en modulation d’amplitude, peu encombrante en largeur spectrale.

3

Page 4: Cours de Fh Igtt2 2015

A l’autre extrémité, les hyperfréquences ou micros ondes, de longueurs d’ondes centimétriques et millimétriques, ont un comportement proche des ondes lumineuses d’où le terme faisceaux hertziens. La diffraction joue un rôle mineur et les émetteurs et récepteurs doivent être en visibilité directe. On peut réaliser des émissions très directives et réutiliser les fréquences. Les capacités de transmission, très élevées, conviennent bien à la modulation de fréquence et aux modulations numériques. Au-delà de 15 GHz l'absorption par l’atmosphère intervient, limitant la propagation à quelques fenêtres utilisées surtout par les radars ou les liaisons à très courtes distances.

Les bandes VHF et UHF ont un comportement intermédiaire : la diffraction est faible, ce qui limite la portée des émetteurs de radiodiffusion, mais non négligeable pour les objets légers qui peuvent être contournés, ce qui peut provoquer des brouillages. Grâce aux capacités de transmission élevées et au coût maintenant faible des composants électroniques dans ces bandes, (contrairement aux hyperfréquences), ces fréquences sont très utilisées et même

4

UTILISATION DU SPECTRE DE FREQUENCE

Communications par FH et satellitesVHF UHF

100 300 MHz 1 GHz 3 10 30 100 GHz

Radars

TV directe par satellites

3m 1 m 30 cm 10 cm3c m 1 cm 0.3 cm

Communications

100 300 KHZ 1 3 10 30 100 Mhz

3000 1000 300 100 30 10 3 m

Ondes : longues moyennesmaritimes

Courtes FM

Radiodiffusion.

Ondes courtes

Télévision Radiotéléphone

Page 5: Cours de Fh Igtt2 2015

convoitées : radio FM, télévision, radiotéléphone, communications avec les mobiles, ….

1 – 2 – Différents types de liaisons radioélectriques

Une liaison permet d’établir une communication bidirectionnelle entre deux points équipés chacun d’un émetteur et d’un récepteur. Les émetteurs de radiodiffusion n’entrent pas dans cette catégorie. Une liaison point à point par ondes radio peut s’établir.

- en utilisant la réflexion et la diffusion par l’ionosphère ionisée par les ultraviolets du soleil, entre 70 et 1000 km d’altitude, dans la bande des ondes courtes, (3 à 25 MHz) ; ces liaisons transhorizon, de très longues portées mais de faible capacité, ont permis le développement des premières liaisons intercontinentales et maritimes. Elles ont été presque entièrement remplacées par les câbles sous marins et les satellites ; leur emploi ne subsiste que pour les navires. Par contre, du fait de leur portée quasiment mondiale, les ondes courtes restent utilisées par les radioamateurs et en radiodiffusion. Leurs conditions de propagation varient avec l’heure et la saison.

5

Ionosphère

Terre

Liaison transhorizon

Page 6: Cours de Fh Igtt2 2015

- En établissant une liaison en visibilité directe entre antennes placées sur des points hauts (tours hertziennes, montagnes) : du fait de la rotondité de la terre, une liaison longue nécessite des relais espacés d’une distance d, d’environ 50 km. On utilise alors des micro-ondes, au-delà de 2 à 3 GHz, permettant une bonne directivité des faisceaux et des capacités élevées.

1 – 3 – Equation théorique de propagation

Une source parfaitement ponctuelle isotrope, émet une puissance PE sous forme d’une onde sphérique dont elle occupe le centre. La densité de puissance reçue à une distance d vaut donc :

dPr/dS = Pe/ 4d2

6

Station terminale

Station terminale

Station relais Station

relais

d1

d1

h

hR

Le minimum de la hauteur des antennes est tel que le rayon direct entre eux soit tangent à la surface de la terre. Ce qui donne : (d/2)2 + R2 = (R + h)2 R2 + h2 + 2Rh = d 2/4 + R2

4 (h2 + 2Rh = d 2 d = 2 h (2R + h) 2 2Rh

d 2 2Rh

Page 7: Cours de Fh Igtt2 2015

Les sources réelles ne sont jamais parfaitement isotropes. Alors les émetteurs de radiodiffusion doivent être aussi omnidirectionnels que possible, ne serait ce que dans le plan horizontal, ceux des faisceaux hertziens doivent rayonner l’onde de manière très directive. C’est le rôle des antennes, le but étant à la fois de réduire les puissances émises et de pouvoir réutiliser les mêmes fréquences dans des directions différentes.

Les antennes directives utilisées en hyperfréquences émettent tout d’abord une onde plane, de divergence négligeable, tant qu’on est dans la zone de champ proche. Cette zone appelée zone de Rayleigh s’étend jusqu’à une distance d D2 /2 où D est le diamètre de l’antenne. En général, les récepteurs sont dans la zone de champ lointain (zone de Fraunhofer). Si l’antenne émettrice est directive, la densité de puissance reçue en champ lointain, dans une direction u vaut :

dPr/dS = Pe.G(u)/4d2

avec G(u) le gain de l’antenne émission dans la direction u.

Une antenne très directive doit avoir un gain très élevé dans sa direction principale, du fait de la concentration de la densité de puissance.

De l’autre coté, la puissance reçue au récepteur vaut :

Pr = (dPr/dS).Se (u)

Où Se(u) est la surface équivalente de l’antenne réceptrice. Elle est égale à la surface réelle multipliée par un rendement de l’ordre de 50 à 70%, du fait des imperfections du réflecteur. Elle dépend de la direction de la source par rapport à l’antenne et est liée au gain de la même antenne utilisé en émission :

G(u) = [4 Se (u)]/ 2

Cette relation montre l’intérêt d’utiliser une fréquence élevée, puisque le gain de l’antenne augmente avec ses dimensions comparées à la longueur d’onde.

Soient donc deux antennes indicées 1 et 2 :

on a G1 (u) 2 /4 = Se1 (u) et G2(u) 2 /4 = Se2 (u)

Pr = Se2 Pe.G1(u)/4d2 = G2(u).G1(u) Pe. [/(4d)]2

Pr = Pe.[Se2 .Se1(u)] / (.d)2

7

Page 8: Cours de Fh Igtt2 2015

Le terme Pe.G1 est appelé puissance isotrope rayonnée équivalente ou PIRE. C’est la puissance d’une source isotrope située au même point que la source réelle, qui fournirait la même puissance au récepteur. Elle est notamment utilisée pour caractériser les satellites, et dépend de l’emplacement du récepteur.

1 – 4 – Défauts de la propagation réelle

1 – 4 – 1 – La réfraction.

L’établissement d’un projet de faisceaux hertziens nécessite la connaissance de la valeur moyenne et des variations possibles de la courbure des rayons. Des mesures de l’indice de réfraction ont mis en évidence que, dans une zone donnée et dans les premières couches atmosphériques, l’indice pouvait souvent être considéré de façon très grossière comme une fonction linéaire de l’altitude.

Etudions la propagation d’un rayon dans une atmosphère dont l’indice de réfraction est fonction de l’altitude :

8

k

’kl

K

L

O

nk

nl

Ro

hk

hl

Page 9: Cours de Fh Igtt2 2015

cos’k / (Ro + h l ) = cosl / (Ro + h k )

nl cos’k / (Ro + h l ) = nl cosl / (Ro + h k ) = nk cosk / (Ro + h l )

nl (Ro + h l ) cosl = nk (Ro + h k) cosk

d’où la relation fondamentale : n (Ro + h )cos = Cte

En dérivant l’équation précédente par rapport à l’abscisse curviligne s, on a :

(Ro + h).cos.dn/ds - n(Ro + h).sin.d/ds + n cos.dh/ds = 0

En considérant que les rayons sont peu inclinés par rapport à l’horizontale, on a cos 1. L’indice de réfraction est proche de l’unité et Ro + h Ro puisque h est très petit devant Ro, dh = ds.sin

On a donc : ds.sin = dh. Finalement l’équation différentielle précédente devient  :

Ro.dn/dh.sin - Ro.. sin + sin = 0 , soit Ro.dn/dh. - Ro.. + 1 = 0

= dn/dh + 1/Ro où est le rayon de courbure du rayon % à la terre.L’indice de l’air est voisin de l’unité et est pratiquement égal à :

n = 1 + N.10-6

9

La loi de Descartes appliquée au point K donne :

nk cosk = nl .cos’k

Dans le triangle OKL, on a sin K/ OL = sin L/ OK :

sin K = sin (’k + /2) = cos’k

sin L = sin (/2 - l) = cosl

Page 10: Cours de Fh Igtt2 2015

où N est défini par l’atmosphère de gradient normal qui est une atmosphère sphérique de gradient d’indice vertical constant de valeur :

dn/dh = -39.N / km

Pour établir aisément un projet de faisceau hertzien, on remplace la réalité où les rayons se propagent avec une courbure au-dessus de la terre réelle de rayon de courbure 1/Ro entourée par une atmosphère de loi no(h) , par une situation fictive caractérisée par une terre fictive de rayon R, entourée par une atmosphère de loi n(h) de telle sorte que le rayon de courbure des rayons = dn/dh + 1/R reste le même que celui du cas réel . Il est simple de prendre cette terre fictive de sorte que dn/dh = 0, ensuite, on a :

= dno /dh + 1/Ro = dn/dh + 1/R = 1/R puisque dn/dh = 0

le rayon de la terre fictive est alors égal à :

R = k.Ro où k est le coefficient variable : k = 1/ (1 + Ro.dno/dh)

Ainsi, la courbure des rayons est la même que celui de la terre fictive, ce qui permet de dire dans ce cas fictif que la propagation des rayons est rectiligne.

En supposant que la terre réelle est entourée d’une atmosphère de gradient d’indice normal, on a dno/dh = -39N/km. Or N = (n air –1)10 6 , ce qui donne :

dno/dh = -39(n air –1)10 6 / km Ro.dno/dh = -39.Ro.(n air –1)10 6

k = 1/ (1 + Ro.dno/dh) = 1 / [1 - 39.Ro.(n air –1)10 6 ] = 4/3

pour la valeur courante de n air .

La terre fictive pour une atmosphère à gradient d’indice normal est alors R = 4/3.Ro .

D’une manière générale,

10

Page 11: Cours de Fh Igtt2 2015

si k > 1, c’est à dire dn0/dh < 0, les rayons s’incurvent vers le haut et il y a abaissement apparent des obstacles éventuels qui sont sur le chemin de l’onde ;

si k <1 c’est à dire dn0/dh > 0, les rayons s’incurvent vers la terre et cela correspond à un relèvement apparent des obstacles éventuels qui sont sur le chemin de l’onde ; ce relèvement peut s’avérer gênant pour le dégagement du rayon entre antennes. Pour établir un projet FH, il convient de connaître le relèvement maximal des obstacles ; il s’agit d’une fonction aléatoire. Cependant les observations statistiques ont permis de retenir que la variation apparente de hauteur d’un obstacle situé à une distance d1 de l’extrémité d’un bond hertzien et à la distance d2 de l’autre, se calcule par la formule suivante :

h = (d1d2) (1/R – 1/Ro)/2 = (d1d2).(1 – k)/2k.Ro

Par exemple si l’obstacle se trouve à mi - distance entre les deux extrémités d’un bond de 50 km, avec k = 4/3, on a un abaissement h tel que :

h = (252)./8.6400 = 0,01220 (km) = 12,20 m

Par contre, avec k = 0.8 = 4/5, on a un relèvement h tel que

h = (252)./8.6400 = 0,01220 (km) = 12,20 m.

Ces variations de hauteur ne peuvent être négligées.

1 – 4 – 2 – La diffraction.

Sur le plan économique, on a intérêt à ce que les antennes soient les plus bas possibles, donc à ce que le rayon passe très près du sol. Il faut donc trouver une règle donnant le dégagement minimum nécessaire sur un bond hertzien pour que la diffraction du rayon sur les obstacles éventuels soit négligeable.

11

e

Les études sur la diffraction montrent que la puissance reçue en espace libre varie en fonction de la distance e du rayon à l’obstacle conformément à la La courbe suivante :

e

Pr

B

A

Page 12: Cours de Fh Igtt2 2015

Pour être sûr d’avoir une puissance réception suffisante, on cherche à obtenir que le dégagement du rayon au-dessus de l’obstacle soit tel que la puissance reçue supérieur au maximum de la courbe précédente au point B. On démontre que si M est un point de l’espace au-dessus de l’obstacle, E et R étant les extrémités du bond, le dégagement correspondant au maximum est caractérisé par :

EM + MR = ER + /2.

Cette équation définit un ellipsoïde appelé premier ellipsoïde de Fresnel qui représente dans l’espace une surface dont tous les points vérifient l’équation précédente. Le rayon de l’ellipsoïde à la distance d1 d’une des extrémités et d2 de l’autre est donné par la formule :

r = (d1.d2)./(d1 + d2)

En particulier, si d1 = d2 = d/2, on a r = ½ d

12

d1 r d2

E R

d1

d1

h

hR

Page 13: Cours de Fh Igtt2 2015

Les règles de dégagement que l’on utilise généralement sont les suivantes :

- Le premier ellipsoïde de Fresnel doit être dégagé pour un rayon terrestre égal aux 4/3 du rayon réel ;

- Le rayon direct entre les antennes ne doit pas être coupé pour la valeur minimale de k (4/5 du rayon de la terre) sur le bond hertzien.

Appliquons par exemple ces règles de dégagement pour calculer la hauteur des antennes au-dessus du sol nécessaire pour établir un bond hertzien de longueur d = 50 km à la fréquence de 6 GHz sur une terre parfaitement sphérique.

En prenant k = 0,8 pour valeur minimale, le dégagement du rayon direct exige :

d/2 = 2Rh1 h1 = d 2 /8k.Ro = 61 m

Le dégagement du premier ellipsoïde de Fresnel de rayon au centre r = ½ d pour une terre de rayon 4/3.Ro exige l’équation :

d/2 = 2.4/3.Ro.(h2 - ½ d) h2 = 3d 2/32Ro + ½ d

h2 = 3d2/32Ro + ½ cd/f

où c est la vitesse de la lumière dans le vide et f la fréquence. h2 = 3.2500/32.6400 + ½ 310 8.50/6109 h2 = 3.25/32.64 + ½ 5000/2 . 10-3 = 61,62 m

On prend h = max (h1, h2)

Pour tenir compte d’un obstacle de hauteur ho par rapport au niveau de la terre, il suffit de s’assurer qu’il ne perce pas le premier l’ellipsoïde de fresnel. Soit x0

la fraction de hauteur de l’obstacle qui pénètre l’ellipsoïde. On prend plutôt :

h = max (h1 , h2) + x0

Si par contre, h ainsi pris est trop grand, on peut utiliser un ou plusieurs réflecteurs passifs pour contourner l’obstacle.

13

Page 14: Cours de Fh Igtt2 2015

1 – 4 – 3 – La réflexion.

Les réflexions sur le sol peuvent créer des évanouissements profonds par interférences entre faisceau direct et faisceau réfléchi, lorsqu’ils arrivent en opposition de phase et que le coefficient de réflexion est élevé. C’est notamment le cas sur les eaux calmes miroitantes.On appelle profondeur de l’évanouissement le rapport exprimé en décibels entre la puissance reçue calculée en espace libre, et puissance reçue au moment de l’évanouissement.Lorsqu’il n’est pas possible de masquer le faisceau réfléchi, la solution consiste à utiliser deux antennes réceptrices espacées d’une hauteur e = c.d/4F.h. où c est la célérité de la lumière, F la fréquence du rayon et d la distance du bond hertzien. C’est la diversité d’espace.

On peut faire une analyse de la sélectivité des évanouissements dus trajets multiples. En effet, supposons qu’à un instant donné, il y ait n trajets possibles entre les antennes. Soit Ti la différence de temps entre le trajet direct et le i-ème trajet réfléchi ; le déphasage subi par une onde de fréquence f vaut :

i = - 2fTi

Si i est le rapport des amplitudes du champ provenant du trajet i et du champ direct, le champ résultant reçu u en fonction du champ direct u0 est :

nu = u0 ( 1+ i .e j i ). Puisqu’il existe un module r et un argument tels que

i =1

nre j = i .e j i ), avec proportionnelle à la fréquence f et on pourra

i =1

écrir : = 2fT.

14

Trajet direct

Trajet réfléchi

Page 15: Cours de Fh Igtt2 2015

Le coefficient de transfert de l’atmosphère modélisé comme un quadripôle s’écrit :

nH() = u / u0 =  ( 1+ i .e j i ). = ( 1+ r.e j.T ).

i =1

mod 2 H() = (1 + r.cos.T)2 + (rsin.T)2 = 1 + 2r.cos.T+ r2.

Cette valeur atteint un minimum égale à 1 - 2r + r2 ) = (1-r)2 pour les

fréquences fn = (2n+1)/2T.

La bande passante B à 3 dB de ce quadripôle est telle que pour tout B,

10.log [(1 + 2r.cos.T+ r2 ) / (1-r)2 ] 3 dB. Autrement dit,

[(1 + 2r.cos.T+ r2 ) / (1-r)2 ] 2 cos.T ( r2 - 4r + 1) / 2r. Ainsi,

La fréquence maximale de la bande est alors :

fmax = [Arc cos ( r2 - 4r + 1) / 2r)]/ 2T et la bande passante est alors :

B(3dB) = [Arc cos ( r2 - 4r + 1) / 2r]/ T.

De même, examinons les effets sur la puissance reçue.

Pour ce faire, nous estimons que la rotondité de la terre est négligeable et la réflexion se produit dans une zone réflexion stable.

Calculons la différence de marche (EI + IR) – ER.

15

d

h2h1

I

E

R

Page 16: Cours de Fh Igtt2 2015

EI = h1 /sin, de même, IR = h2 /sin et donc EI. IR = h1 h2 /sin2

ER2 = EI2 + IR2 + 2 EI.IR.cos2

(EI + IR) – ER = [(EI + IR) 2 - ER2] / [ ER + (EI + IR) ]

(EI + IR) – ER = 2EI.IR.(1- cos2 )/ [ ER + (EI + IR)]

(EI + IR) – ER = 4EI.IR.sin2 / [ ER + (EI + IR) ] = 4 h1 h2 / [ ER + (EI + IR)]

(EI + IR) – ER 4h1 h2 /2ER = 2h1 h2 /d

Soit le déphasage subi par l’onde à la réflexion. L’écart de phase entre l’onde ayant suivi le trajet ER et celle qui a suivi le trajet EIR vaut :

(2/)(2h1 h2 /d) + = (4h1 h2 /d) + = .

Soit E l’amplitude de l’onde directe ; l’onde réfléchie s’ajoute de manière vectorielle à l’onde direct avec une amplitude E où dépend du coefficient de réflexion, de la dimension de la surface réfléchissante et bien d’autres choses encore.

E’2 = E2 + 2 E2 + 2.E. E cos ()

E’2 = E2 + 2 E2 -2E2 + 2E2 + 2.E. E cos ()

E’2 = E2 [(1- )2 + 4 cos2 /2 ]

(E’/E)2 = [(1- ) 2 + 4 cos2 [(2h1 h2 /d) + /2 ]

cos2 {[2h1 (h2 +h2 )/d)] + /2} = cos2 {[(2h1 h2/d ) + (2h1 h2 /d)] + /2}

La valeur du rapport ( E’/E)2 ne change pas si la variation h2 est telle que

2h1 h2 /d = k, soit h2 = (d.. k)/2h1 = (d..k)/2h1

16

E’

E

E

Page 17: Cours de Fh Igtt2 2015

IL suffit donc de placer une seconde antenne réception sur la même verticale

que la première, mais à une distance h2 = (d..)/4h1. Ainsi, Pendant que minimum de champ se présente à la première antenne, c’est le maximum qui se présente à la seconde et ceci vis versa. C’est la diversité d’espace.

1 – 4 – 4 – L’absorption par l’atmosphère

L’oxygène et la vapeur d’eau absorbent une partie de l’énergie du rayon. Cette absorption est de l’ordre de quelques centièmes de décibels par km pour les fréquence inférieurs à 15 GHz : Aussi la néglige t - on souvent dans les calculs.L’absorption croît avec la fréquence. A 20 GHz par exemple, l’absorption due à l’oxygène est 0.02 dB/km, celle due à la vapeur d’eau (7.5g/cm3) est égale à 0.09 dB/km et au total, on a 0.11 dB/km. Au-delà de 20 GHz, l’absorption croît brutalement car une raie de résonance de la molécule d’eau existe à 22.23 GHz. Un tel état de chose limite la bande utilisable par les faisceaux hertziens à 21 GHz environs. Cependant, grâce aux progrès des composants hyperfréquences en arséniure de gallium (GaAs), on exploite aujourd’hui sur de courtes distances des fenêtres de l’ordre de 35 GHz et même de 91 GHz, surtout pour les radars.

1 – 5 - Règles d’affectation des fréquences dans les faisceaux hertziens

17

(E’/ E)2

h2

Page 18: Cours de Fh Igtt2 2015

Le spectre de fréquences est divisé administrativement en bandes affectées entres les différents utilisateurs (télécommunications fixes et mobiles, télévision, satellites …) Compte tenu de l’augmentation de la demande de cette ressource naturelle limitée, on cherche à réutiliser au maximum les fréquences en suivant un certain nombre de règles. C’est par exemple l’organisation cellulaire pour les communications avec les mobiles. Dans les faisceaux hertziens, ces règles sont.

- L’alternance des fréquences émission et réception d’un relais à un autre. Dans un relais donné, la même fréquence est utilisée pour les émissions dans les deux sens, et les réceptions se font sur la même la même fréquence. Cette disposition permet d’éviter les brouillages entre émetteurs et récepteurs d’un même relais, même si celui – ci est un nœud d’où partent plus de deux faisceaux. On peut donc constituer une liaison longue bidirectionnelle avec seulement deux fréquences.

- La séparation des démis – bandes émission et réception, dans le cas des faisceaux hertziens à forte capacité utilisant plusieurs canaux par faisceau. Les fréquences des canaux émission et réception sont regroupées en deux démis – bandes relativement espacées (50 à 100 MHz), afin de faciliter leur filtrage. Dans les liaisons par satellites, l’espacement entre fréquence « montante » et fréquence « descendante » est même de plusieurs GHz. D’un relais à un autre, les demi – bandes sont alternées

- L’alternance des polarisations verticale V et horizontale H, entre les canaux, à l’intérieur de chaque demi – bande. Ceci permet de resserrer les porteuses tout en facilitant leur filtrage. Un recouvrement des spectres est tolérable, mais cette

18

relaisrelais

F1 F1F2

F2 F2F1

H V H V H V H V H V H V H V H V

Page 19: Cours de Fh Igtt2 2015

technique est limitée par les phénomènes de couplage entre polarisations sur le réflecteur de l’antenne ou au cours de la propagation en cas de pluie notamment.Il faut retenir que chaque antenne comporte en général un réflecteur commun et deux guides, un pour les canaux pairs (polarisation verticale) et un pour les canaux impairs (polarisation horizontale)

2 - Equipements des liaisons hertziennes

2 – 1 – Organisation générale

L’organisation représentée par le schéma ci-dessus est essentiellement celles des FH terrestres, qui sont bidirectionnels, mais on la retrouve sous des formes proches dans les liaisons par satellite ou avec les mobiles.

Afin de se propager correctement, les signaux doivent être modulés sur leur fréquence porteuse. On trouve donc, à l’entrée de la liaison, un modulateur auquel correspond un démodulateur à la sortie de la liaison. Dans la majorité des

19

Modulateur

Démodulateur

Emetteur

Récepteur

ModulateurEmetteur

Récepteur Démodulateur

Em Rec

Rec Em

Station relais FIStation terminale

Station terminale

Page 20: Cours de Fh Igtt2 2015

cas, cette modulation se fait en fréquence intermédiaire notée FI, ce qui simplifie la technologie des modulateurs/démodulateurs, et leur permet de travailler indépendamment de la fréquence porteuse.Les modulations utilisées sont les modulations en fréquences (liaison analogiques) ou en phase (liaisons numériques) dans la plupart des applications. Ces modulations ne sont pas sensibles aux fluctuations de la puissance transmise, mais le sont aux fluctuations de temps de propagation. En numérique, un transcodage est en général effectué en bande de base. La récupération de l’horloge et la régénération du signal sont associées à la démodulation.

On trouve ensuite l’émetteur qui transpose le signal en hyperfréquence et l’amplifie. Il lui correspond un récepteur qui amplifie et égalise le signal reçu, le transpose en fréquence intermédiaire. Emetteurs et récepteurs sont reliés aux antennes par des guides d’ondes. L’ensemble de ces équipements correspond à la couche physique du modèle OSI.

Dans les stations relais, le signal peut être amplifié en fréquence intermédiaire sans retour en bande de base. Une transposition de fréquence permet alors de passer de la fréquence reçue à la fréquence à la FI puis une autre de la FI à la fréquence ré émise. Un satellite est organisé de la même façon qu’un relais intermédiaire.

2 – 2 – Emetteurs

Le signal en fréquence intermédiaire est amplifié, filtré et écrêté lorsqu’on utilise une modulation angulaire pure, pour attaquer l’émetteur à niveau constant. La transposition de fréquences est réalisée par un mélangeur, dispositif non linéaire à diodes Schottky (par exemple), qui à partir du signal en fréquence intermédiaire et de l’oscillateur locale, fait apparaître par inter modulation les fréquences somme et différence. L’une de ces deux fréquences, sélectionnée par filtrage, correspond à la fréquence d’émission FE. L’oscillateur local doit fonctionner à une fréquence hétérodyne d’émission FHE telle que :

FE = FHE + FI ou FE = FHE – FI

Les différents canaux utilisent tous la même FI (70 ou 140 MHz), la valeur de la FHE permettant la transposition sur la porteuse spécifie chaque canal. Compte tenu de la haute stabilité en fréquence recherchée, les oscillateurs sont asservis par une boucle de verrouillage de phase sur une fréquence de référence de faible puissance, obtenue par synthèse à partir d’un oscillateur à quartz. Après le mélangeur, on trouve un filtre à cavité résonnante, qui ne doit introduire aucune distorsion de phase dans la bande passante On amplifie ensuite le signal, sauf dans les systèmes de faible puissance où la puissance est fournie par l’oscillateur

20

Page 21: Cours de Fh Igtt2 2015

local. L’amplificateur d’émission utilise en général des composants à l’état solide, sauf pour de très fortes puissances où on utilise toujours les tubes à ondes progressives. C’est le cas des liaisons par satellite.

2 – 3 – Récepteurs

Après un filtrage séparant les différents canaux, on amplifie le signal reçu par un préamplificateur hyperfréquences à transistor à effet de champ GaAS dont le facteur de bruit doit être le plus faible possible : 3 à 6 dB pour les FH terrestres.

Cette technique, permise par les progrès des composants, est assez récente. Dans les anciens systèmes, on attaque directement le mélangeur qui transpose et amplifie le signal.

Le mélangeur réception, analogue à celui de l’émission, combine la fréquence FR et la fréquence hétérodyne de réception FHR, fournie par l’oscillateur local de réception, pour obtenir :

FI = FR – FHR ou FI = FHR – FR.

La fréquence de l’oscillateur local permet de s’accorder sur le canal reçu. Elle est asservie par une boucle de verrouillage de phase comparant la FI obtenue à celle d’un oscillateur de référence (Contrôle automatique de fréquence CAF).

Après le mélangeur, on trouve le préamplificateur en fréquence intermédiaire PAFI qui joue le rôle de filtre, en coupant l’autre bande latérale du mélange, puis un amplificateur à contrôle automatique de gain CAG dont la dynamique est très élevée (plusieurs dizaines de dB). En effet, contrairement aux transmissions sur câble, la puissance reçue peut subir des variations fortes à

21

Filtre Ampli de puissance

FE

FHE

FI

FiltreAmpli limiteur

Venant du modulateur

Mélangeur

OLE

Antenne

Quartz

Page 22: Cours de Fh Igtt2 2015

cause des conditions de propagation et éventuellement des désorientations des antennes. Cela est encore plus vrai dans le cas des liaisons avec les mobiles. Enfin, un correcteur élimine les distorsions de temps de propagation de groupe (ctpg), auxquelles les modulations sont sensibles. Dans les systèmes utilisant une diversité d’espace, le récepteur est double, et un combineur combine les deux signaux de façon à maximiser le rapport signal sur bruit.

2 – 4 – AntennesUne antenne se compose d’une ouverture rayonnante en forme de cornet, qui rayonne l’onde amenée par le guide, et d’un ou plusieurs réflecteurs de forme généralement parabolique, avec la source au foyer de la parabole. L’onde réfléchie est alors plane en champ proche. Les gains sont d’au moins 22 à 24 dB pour un diamètre égal à 5 longueurs d’onde (D = 5). Ils peuvent être beaucoup plus élevés avec un réflecteur plus grand.

22

Antenne parabolique

Em &Rec

Ouverture rayonnante placée au foyer du réflecteur parabolique

Réflecteur parabolique

Guide d’ondes

Rayons émis

Rayons reçus

Page 23: Cours de Fh Igtt2 2015

Pour faciliter l’installation, on peut employer un montage dissymétrique où l’ouverture du guide est décalée.

On utilise aussi des antennes à réflecteurs multiples tels que le montage « Cassegrain » qui utilise un sub-réflecteur hyperbolique au foyer de la parabole afin de réduire la longueur et les courbures des guides d’ondes.

23

Réflecteur parabolique

Ouverture rayonnante placée au foyer du réflecteur parabolique

Em &Rec

Guide d’ondes

Rayons émis

Rayons reçus

Montage décalé

Page 24: Cours de Fh Igtt2 2015

Enfin, les antennes réseau sont des antennes plates comprenant un grand nombre de sources juxtaposées dans un plan. En jouant sur l’amplitude et la phase de l’onde émise par chaque source, c’est à dire sur le champ proche, on peut synthétiser un diagramme de rayonnement quelconque, et le faire varier en ouverture et en orientation sans aucun déplacement mécanique. Ce type d’antenne peu encombrant utilisé pour les radars est aussi utilisé pour l’émission à bord des satellites.

2 – 5 - Caractéristiques des antennes

Une antenne se caractérise par son diagramme de rayonnement qui est le tracé de son gain G(u) en coordonnée polaires. A un terme constant près, c’est donc la représentation de la puissance émise en fonction de la direction. Ce diagramme est double : Co polaire (selon la polarisation émise) et contra polaire (selon la polarisation orthogonale) On y observe en générale des lobe secondaires, dus à la diffraction par les bords du réflecteur, qui doivent être les plus faibles possibles pour éviter les brouillages.

On désigne couramment par Gain d’antenne le terme G = 10 log G(n), en dB où n est le vecteur normal à l’antenne. On définit aussi le découplage de directivité dans la direction u, D(u) = 10log[G(n)/G(u)] en dB.

Le découplage de polarisation s’écrit : 10 log(P/Po) en db où Po est la puissance du signal conformément à la polarisation contraire à sa polarisation d’origine, et P la puissance conformément à la polarisation naturelle du signal ; la direction d’émission étant la même.Ce découplage est maximal sur l’axe de l’antenne mais varie fortement selon la direction observée, ce qui peut créer des brouillages.

24

Guide d’ondes

Sub réflecteur hyperbolique

Rayons émis

Rayons reçus

Antenne Cassegrain

Page 25: Cours de Fh Igtt2 2015

L’ouverture à 3 dB de l’antenne est l’angle que fait la direction u observée par rapport à l’axe n de telle sorte que le découplage D(u) = 3 dB.

G(n) = [4 Se (n)]/ 2 D(u) = 10.log[Se (n) / Se (u)]

G(u) = [4 Se (u)]/ 2

La surface réelle de l’antenne étant S, On pourra écrire que :

Se(n) = k((, d ) S et Se(u) = k ’(, d ).S. Alors

D(u) = 10.log[Se (n) / Se (u)] = 10.log[k() / k’ ()] = 3 dB

log[k()/k’()] = 0.3 k() / k’() = 2.

On démontre que le rapport k() / k’() est une fonction F( ,, d, I ) de , , du diamètre d de l’antenne et de l’illumination I du réflecteur.

F( ,, d, I ) = ½. La solution de cette équation donne l’ouverture à 3dB :

(degrés) = N(I)./d où N est entre 60 et 70 suivant l’illumination du réflecteur

Pour N = 70, le gain G(n) de l’antenne lié à l’ouverture s’exprime :

G(n) = 3200/2 .

25

n

u

Se(n)Se(u)

S

Page 26: Cours de Fh Igtt2 2015

Plus les dimensions du réflecteurs sont grandes, diminue et G(n) augmente et l’antenne devient plus directive. Ceci correspond aux installations FH terrestres (g = 40 à 50 dB) et surtout aux liaisons classiques par satellites, dont les réflecteurs souvent de type Cassegrain sont très grands permettant ainsi des gains g de l’ordre 70 dB.

En revanche, les applications plus récentes à savoir réception directe de télévision ou de données par satellite, liaisons mobiles, utilisent des réflecteurs de plus en plus petits, donc plus légers et plus économiques, mais aussi moins directifs. Ceci simplifie le pointage mais nécessite plus de traitement de signal qui convient bien aux liaisons numériques.

2 – 6 – Branchement et guides

Les antennes sont reliées aux émetteurs par des guides d’ondes, qui sont en général des guides d’ondes rectangulaires rigides, ou des guides elliptiques plus souples. On utilise exceptionnellement des câbles coaxiaux jusqu’à 4 GHZ. Ces

26

Page 27: Cours de Fh Igtt2 2015

guides acheminent un seul mode de propagation de polarisation, ce qui, dans le cas du guide rectangulaire, est le cas si :

- /2 < a < (condition de guidage mono mode en polarisation horizontale)- b < /2 (coupure de la polarisation verticale).

Les pertes dans les guides sont élevées et augmentent avec la fréquence, d’où la nécessité de rapprocher les équipements des antennes. Depuis quelques années, on commence à déporter le signal hyperfréquence sur des fibres optiques.

27

b

a

Guides d’ondes

Filtres passe bande

Circulateur de regroupement

F’1 F’3

F5F3F1

Em1 Em2 Em3

REC1 REC2 REC3

Circulateurs

F’5

Guide d’ondes en polarisation horizontale vers l’antenne. Les canaux pairs sont en polarisation verticale

Emetteurs des canaux impairs

Filtres passe bande

Récepteurs des canaux impairs

Page 28: Cours de Fh Igtt2 2015

Les différents canaux émis et reçus peuvent être transmis sur le même guide d’ondes grâce à des circulateurs, dispositifs non réciproques à trois accès qui séparent les sens de propagation. A chaque branchement, les fréquences des autres canaux sont réfléchies sur le filtre et poursuivent leur propagation sur le guide principal. Les canaux pairs de polarisation verticale utilisent des guides séparés des canaux impairs de polarisation horizontale.

2 – 7 – Bruit en réceptionIl se compose de trois termes indépendants, qui s’ajoutent en puissances :- Le bruit environnant capté par l’antenne : en absence de brouilleurs d’origine

naturelle ou artificielle, c’est un bruit blanc d’origine thermique qui peut se mettre sous la forme Pna = kTa.F où k est la constante de Boltzman égal à 1.38.10-23 J/K, Ta est la température de bruit de l’antenne qui en fait est une température équivalente due aux sources de bruit qu’elle capte.

- Le bruit apporté par le guide d’onde : soit A le coefficient de transmission du guide, on a A = Ps / Pe, ou bien l’atténuation a est égale à –10logA. Le guide absorbe la fraction 1-A de la puissance de bruit entrant, la réémet sous forme d’un bruit blanc de densité spectrale kTg (1- A) ; soit une puissance de bruit égale à

- Png = kTg (1- A).F.

- Le bruit propre du récepteur Pnr = kTr . F où Tr est la température de bruit du récepteur. C’est là encore une température équivalente, souvent supérieur, parfois inférieur (c ‘est le cas des amplificateurs paramétriques) à sa température physique.

Par addition des trois termes, on obtient le bruit total en réception :

Pn = kTF, avec T = ATa + (1 – A)Tg + Tr qui est la température de bruit globale de l’équipement de réception.

Le rapport porteur à bruit global s’écrit :

Pc/Pn = A.Pr/kTF

où Pr est la puissance reçue par l’antenne. Pr est proportionnel au Gr de l’antenne réception. Finalement, le rapport porteur à bruit global est proportionnel à la quantité:

M = Gr.A/T appelée facteur de mérite de l’équipement de réception.

28

Page 29: Cours de Fh Igtt2 2015

3 – Faisceaux hertziens terrestres

3 – 1 – DéfinitionsOn parle de systèmes terrestres par opposition aux systèmes par satellites. Les distances sont courtes, les puissances mises en jeu et les temps de propagation sont faibles. L’essentiel de ces systèmes sont les faisceaux hertziens terrestres, exploité par les opérateurs de télécommunication et de télévision qui peuvent se partager les mêmes installations. Ces liaisons fixes à haute capacité sont des artères du réseau au même titre que les liaisons par câble

Chaque faisceau émet, avec les mêmes antennes et guides, plusieurs canaux dont des canaux de secours, chaque canal ayant sa fréquence porteuse et transportant un signal formé de voies téléphoniques multiplexées ou un canal de télévision. Les signaux peuvent être :

- analogiques, ce qui nécessite l’emploi de la modulation de fréquence pour réduire la sensibilité aux variations des conditions de propagation. Les faisceaux hertziens analogiques de téléphone étaient constitués de multiplex fréquentiels de 24 à plus de 1000 voies téléphoniques et modulés en fréquence. Ils ont été remplacés progressivement par des systèmes numériques.

- Les systèmes numériques ont été développés vers les années 70 en France pour des liaisons à 2 et 8 Mbit/s dans le réseau local, puis à 52 Mbits dans le réseau interurbain. Le système à 52 Mbit/s a été remplacé par les systèmes normalisés de 34 et 140 Mbit/s. la faible sensibilité des transmissions numériques aux bruits et aux variations de niveau est très intéressante en radiocommunications.

Les bandes de fréquence utilisées, réparties d’après les avis de l’UIT-Rsont nombreuses autour de 4, 6, 7, 8, 11, et 13 GHz pour les systèmes à hauts débits ; 2, 10, 15 GHz pour les bas débits. Des liaisons à très courtes distances, ou mobiles, utilisent maintenant les bandes 23 et 38 GHz où l’absorption atmosphérique est non négligeable ce qui permet de réutiliser ces fréquences à courtes distances.

3 – 2 – Faisceaux hertziens numériques : Principes

Les faisceaux hertziens de télécommunication transportent les différents échelons de la hiérarchie numérique (2, 8, 34, et 140 Mbit/s) ce qui permet leur interconnexion, au niveau des jonctions normalisées, avec le reste du réseau.

29

Page 30: Cours de Fh Igtt2 2015

Des faisceaux hertziens du premier échelon (155 Mbit/s) de la hiérarchie synchrone SDH apparaissent sur le marché.

Les principales modulations utilisées sont :

- modulation de fréquence, uniquement pour quelques systèmes à bas débit, du fait de la simplicité, mais elle a un fort encombrement spectral ;

- modulation de phase (MDP) à 4 ou 8 états de phase pour les débits moyens (8 et 34 Mbit/s) qui permet de réduire l’encombrement spectral et le taux d’erreurs ; la modulation de phase différentielle, également utilisée facilite la récupération de la porteuse, mais nécessite un rapport porteuse à bruit plus élevé.

- La modulation d’amplitude en quadrature à 16 états (MAQ16) à haut débit (140 Mbit/s), car elle permet le plus faible encombrement spectral.

Les liaisons numériques permettent de réduire les puissances d’émission et la taille des antennes, ce qui est très appréciable dans le cas des liaisons avec les mobiles et satellites. De plus grâce aux modulations à grand nombre d’états, les systèmes numériques ne sont finalement pas beaucoup plus encombrants en spectre que les systèmes analogiques modulés en fréquence.

Bande (GHz) Débit (Mbit/s Modulation Puissance Particularités2.1 - 2.3 2 / 8 / 34 MDP4 250 mW Réseau local

3.8 - 4.2 2 x 34 MDP8 0.5 – 1 W5.9 – 7.1 140 MAQ16 0.4 W7.4 – 7.7 2 / 8 / 34 MDP4 0.1 – 0.4 W8 – 8.5 2 x 34 MDP8 0.5 – 1 W10.7 – 11.7 140 MDP8 10 W longue distance

12.75 – 13.25 34 MDP4 10 à 160 mW Vidéo

15.3 2 / 8 Fréquence 10 à 100 mW Courte distance

Grâce à la régénération et au faible rapport porteuse à bruit exigé en numérique, on peut tolérer des recouvrements entre canaux voisins, qui sont émis sur deux polarisations orthogonales, et resserrer les porteuses. C’est ainsi qu’on peut espacer les porteuses de seulement 40 MHz dans le système à 140 Mbit/s en modulation à 16 états. Dans certains cas particuliers, on peut utiliser les deux polarisations de la même porteuse pour moduler deux signaux numériques.

3 - 3 - Equipement des faisceaux hertziens numériques

30

Page 31: Cours de Fh Igtt2 2015

Dans le cas des faisceaux hertziens terrestres à longues distances, le signal est régénéré à chaque bond, ce qui impose le retour en bande base. Modulation et démodulation utilisent classiquement une fréquence intermédiaire.

-

3 – 4 – Qualité de la transmission

La qualité d’un signal numérique à un instant donné peut être définie par le taux d’erreur qui l’affecte, c’est à dire par le rapport entre le nombre d’éléments binaires erronés et le nombre total d’éléments binaires reçus. La notion de taux d’erreur n’est qu’une première approche de la notion de la qualité d’un signal

31

Jonction normalisée

Multiplexage embrouillage

Logique Modulateur en FI

Emetteur

Voies de service

Sens émission

Equipements d’un faisceau hertzien numérique

RécepteurDémodulateur en FI Egaliseur bande de

base

Récupération de porteuse

Régénérateur Désembrouillage démultiplexeur

Récupération de l’horloge

Voies de service Jonction normalisée

Sens réception

Page 32: Cours de Fh Igtt2 2015

numérique. En effet la répartition des éléments binaires erronés dans le temps, par groupes ou dispersés, influe sur la dégradation que subit le signal.La sensibilité d’un signal à un taux d’erreur donné dépend du type de signal, c’est à dire à la fois de la nature du signal  d’origine (analogique ou numérique) qui à servi à constituer le signal numérique transmis sur la ligne, et du codage utilisé, l’emploi de codages redondant pouvant permettre de détecter et corriger certaines erreurs. En téléphonie, on considère que la qualité est excellente pour les taux d’erreurs inférieurs à 10-6 et que la liaison est considérée comme coupée à partir d’un taux de l’ordre de 10-3. Pour les transmissions de données, la sensibilité aux erreurs est plus grande, mais varie considérablement en fonction des caractéristiques du message à transmettre.La qualité d’une liaison est complètement définie par la connaissance à chaque instant de la qualité des signaux transmis. Une telle connaissance étant impossible, on simplifie le problème en se limitant à l’étude de :- la valeur du taux d’erreur dans les conditions de propagation voisines de la

normale ;- la fraction du temps pendant la quelle le taux d’erreur dépasse une valeur

élevée donnée f. Le choix du taux d’erreur f n’avait pas recueilli l’unanimité des spécialistes à l’avènement des liaisons FH numérique, mais cela rôde actuellement autour de 10-5.

On démontre que le taux d’erreur est fonction du rapport porteuse à bruit (C/N) à l’entrée du démodulateur. Pour un bond hertzien, on a :

C/N = Pr / F.K.T.B

où F est le facteur de bruit du récepteur. On peut alors représenter le taux d’erreur en fonction de la puissance reçue Pr, au moyen d’une translation d’échelle. On obtient la courbe suivante :

32

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

Pr

Taux d’erreur

Page 33: Cours de Fh Igtt2 2015

Lorsqu’on a plusieurs bonds, on admet que le taux d’erreur global est la somme des taux d’erreur sur chaque bond.

Types de modulation Taux d’erreur Vecteurs émis

Modulation cohérente à deux états de phase avec émissionde deux vecteurs indépendants

(E/N0)

Modulation cohérente à deux états de phase avec émission de deux vecteurs opposés

(2E/N0).

Modulation cohérente à deux états de phase avec émission d’un vecteur non nul et du vecteur 0

( E/2N0)

Modulation cohérente à quatre états de phase avec émission de quatre vecteurs orthogonaux et opposés deux à deux

( 2E/N0 )

+ (x) = (1/2)exp [ (- u2 /2 ) ] du ,

x

Les valeurs Typiques mesurées sur le matériel FH 9470 LX sont données en exemple, consignées dans le tableau suivant :

Débit utile 8 Mbit/s 34 Mbit/sDébit interne 10 Mbit/s 40 Mbit/sBande de Nyquist (BN) 5 MHz 20 MHzFacteur de bruit Rec 1.8 dB 1.8 dBRapport signal à bruit à l’entrée du démodulateur 9.8 dB 9.8 dB

33

Page 34: Cours de Fh Igtt2 2015

pour un taux d’erreur de 10 -3

Niveau théorique du signal d’entrée du récepteur pour un taux de 10-3

- 94 dBm - 88 dBm

Rapport signal à bruit à l’entrée du démodulateur pour un taux d’erreur de 10 -6

13.5 dB 13.5 dB

Niveau théorique du signal d’entrée du recepteur pour un taux de 10-6

- 91 dBm - 85.5 dBm

Rapport signal à bruit à l’entrée du démodulateur pour un taux d’erreur de 10 -6

15 dB 15 dB

Niveau théorique du signal d’entrée du récepteur pour un taux de 10-8

- 89.5 dBm - 84 dBm

3 – 5 – Exemple de calcul du seuil

La puissance du bruit à la réception est égale à : N1 = KTBN où K est la constante de Boltzmann = 1.38 10 – 23 J/K, T la température de bruit globale du récepteur. (290 K = 17°C), BN la bande de Nyquist.

La puissance du bruit dans 1 Hz de bande en dBW est égale à 10.log (kT*1Hz), soit :

10.log (kT*1Hz) = 10.log (1.38 10 – 23 290 *1Hz )

= - 220 + 10.log (1.38 * 29) = -203. 977 dBW = - 174 dBm

A l’entrée du démodulateur :- le signal a un niveau C2 = GC1- La puissance du bruit N2 = FGN1 = FGkTBN

(La bande de bruit correspond à la bande de Nyquist)

34

Démodulateur

4QAMGain du récepteur : GFacteur de bruit = F

RécepteurC1/N1C2/N2

Page 35: Cours de Fh Igtt2 2015

C2/N2 = C1 / F.kT.BN

Cette valeur prise dans le tableau précédent pour un débit utile de 34 Mbit/s, un taux d’erreur de 10 -3 et un facteur de bruit du récepteur F = 1.8 dB est égale à 9.8 dB. On peut en déduire la puissance de C1 à l’entrée du récepteur.

C1 = (C2/N2) F..kT.BN

10logC1 = 10log(C2/N2) +10log F + 10logkT(1Hz) +10log.BN

C1 (dBm) = 9.8 +1.8.-174 +10log.20.106 = 9.8 +1.8.-174 +73 = - 89.4 dBm

Dans le tableau suivant, quelques valeurs de seuil réception sur le 9470LX

8 Mbit/s 34 Mbit/s

10 -3 - 95.5 dBm - 89.5

10 -6 - 91.8 dBm - 85.75

10 -8 - 90.3 dBm - 84.3

35

Page 36: Cours de Fh Igtt2 2015

3 – 6 – Sécurisation de liaison FH numérique

3-6-1- Schéma général d’un E/R FH

36

Traitement en Bande de base, multiplexage et démultiplexage

Trame EmModulateur

Démodulateur

Trame Rec

Transposition en fréquence

Interfaces affluents

Voies de services

Transposition en fréquence

Amplificateur de puissance

(HPA)

Amplificateur faible bruit

(faible facteur de bruit)

OLE

OLR

Filtres etBranchement

hyperfréquence

Traitement Numérique Traitement Analogique

Page 37: Cours de Fh Igtt2 2015

3-6-2 Canal dans un relais

Dans la partie traitement bande de base, un code correcteur d’erreur est ajouté au signal introduisant un sur débit. Ce code détecte et corrige des erreurs améliorant ainsi la qualité de la liaison.

37

Canal Relais

RégénérationBande de

baseModulateur

Démodulateur

Transposition en fréquence

Transpositionen

fréquence

Transposition en fréquence

Amplificateur de puissance

(HPA)

Amplificateur faible bruit

(faible facteur de

bruit)

OLE

OLR

BRANCHEMENT SHF FILTRES

Démodulateur

RégénérationBande de

basemodulateur

Amplificateur de puissance

(HPA)

Amplificateur faible bruit

(faible facteur de

bruit)

BRANCHEMENT SHF

FILTRES

Transposition en

fréquence

OLE

OLR

Page 38: Cours de Fh Igtt2 2015

3-6-3- Sécurisation d’une liaison

- On peut améliorer la qualité et la disponibilité d’une liaison par l’utilisation d’un ou plusieurs canaux de secours sur lesquels on commute automatiquement le ou les canaux défaillants.On considère souvent que pour un plan de fréquence où le nombre de canaux est inférieur à 7, il est suffisant d’utiliser un seul canal de secours, ce qui conduit à un plan fréquence de type n +1 et à réaliser une commutation du type n + 1. De plus, dans l’ensemble des systèmes de commutation, actuellement existant, il est en général possible, en l’absence d’une demande de commutation, d’utiliser le canal secours comme un canal normal, ce qui transforme une liaison de type n + 1 en m + 0 où m = n+1. Cette utilisation du canal de secours est appelée utilisation de la commutation avec canal secours occasionnel. On transmet souvent de la télévision sur de tels canaux secours.Les critères de commutation sont toujours analysés par une unité logique qui décide de la commutation à réaliser après analyse des différents taux d’erreurs sur chaque canal de transmission.

Il existe une sécurisation protégeant la liaison contre des problèmes de panne d’équipement (hot standby) ainsi qu’une autre qui protège la transmission contre les difficultés de propagation. Il y na aussi la diversité d’espace qui permet de lutter plus efficacement contre les fadings.

38

Page 39: Cours de Fh Igtt2 2015

CONSTITUTION DE LA TRAME EMISSION Modulation

DEMILTIPLEXAGE DE LA TRAME RECEPIONDémodulation

E1

Ex

Duplexeur

Coupleur

R1

Rx

Commutation

Relais hyperfréquence

Charge

HOT STANDBYA l’émission, commutation normale / secours sur panne d’émetteurA la réception, choix du meilleur signal

39

Page 40: Cours de Fh Igtt2 2015

Mod + Em canal 1

Logique de demande de commutation

Demande de commutation par voie d’ordre de l’équipement

distant

TraitementBande de base 1

TraitementBande de Base 2

TraitementBande de Base X

Mod + Em canal x

Mod + Em canal 2

Jonction G703

Canal X

Jonction G703

Canal 2

Jonction G703

Canal 1

Lorsque l’équipement distant ne reçoit pas bien le canal 1, par voie d’ordre, il demande à la logique de demande de commutation de commuter le canal 1 émission sur le canal x. En cas de bon fonctionnement des canaux 1 et 2, on peut transmettre le signal de télévision sur le canal x, mais ce dernier n’est pas prioritaire. Il est coupé dès qu’un des canaux 1 et 2 est mal reçu par l’équipement distant.

40

Page 41: Cours de Fh Igtt2 2015

Démod + Rec canal 1

Logique de demande de commutation

Transmission par voie d’ordre de l’équipement distant

TraitementBande de base 1

TraitementBande de Base 2

TraitementBande de Base X

Mod + Em canal x

Démod + Rec canal2

Jonction G703

Canal X

Jonction G703

Canal 2

Jonction G703

Canal 1

La commutation s’éffectue à la réception par analyse du taux d’erreur ou du champ reçu et envoie d’une demande commutation par voie d’ordre à l’équipement distant

41

Page 42: Cours de Fh Igtt2 2015

DIVERSITE D’ESPACE A QUATRE ANTENNES – Normalement employé en 1 +1 ou n + 1

Commutateur

TX1

RX1

TX1

RX1

Commutateur

DIVERSITE D’ESPACE HYBRIDE A 3 ANTENNES employé en 1 +1

TX2

RX1

TX1

RX1

Commutateur

TX1’

RX1’

diversité RX1

diversité RX1’

Commutateur

TX1

RX1

42

Page 43: Cours de Fh Igtt2 2015

3 – 7 – Bilan de liaison

C’est le calcul qui permet de dimensionner la puissance des émetteurs et les gains des antennes en fonction du débit du signal, de la modulation utilisée, et du bruit en réception. Il utilise les formules sous forme logarithmique, ce qui donne le tableau suivant, qu’on peut mettre sous forme graphique (hypsogramme de la liaison)

Puissance de l’émetteur : PE (dBW) = 10log PE (W)- perte dans les guides d’émission : - E (dB)+ gain d’antenne émission : + gE (dB) = log GE

= Puissance isotrope rayonnée équivalente PIRE (dBW)

- Atténuation de transmission : - p (dB) = -20log(4d/)- Atténuation atmosphérique : - a (dB) = - .d ( en dB/km)+ gain de l’antenne de réception +gR = 10logGR

- perte dans les guides de réception : - R (dB)= Puissance reçue : PR (dBW) = 10logPR (W)

Le rapport entre cette puissance et le bruit en réception doit être supérieur au rapport porteur à bruit théorique d’une certaine marge, de 6 à 10 dB, déterminés en fonction des conditions d’exploitation. Les perturbations de la transmission (mauvaises conditions atmosphériques, etc) entraînent la réduction de cette marge, mais ne doivent entraîner la coupure de la liaison qu’avec une probabilité très faible.

PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente)

PR

GR

GE

Emetteur Récepteur

PE

20.log(4d/)

Rapport porteuse / bruit + marge

43

Page 44: Cours de Fh Igtt2 2015

Rappelons que le rapport signal à bruit théorique dépend de la probabilité d’erreurs fixée pour objectif et du type de modulation.. La puissance du bruit, dans le cas d’un système terrestre où les sources de bruit captées sont à la température ambiante To, peut s’écrire en utilisant le facteur de bruit de récepteur :PN = F.kTo F

F la largeur de bande de bruit du filtre (Nyquist) = (1.2.Fr)/n, s’il est optimal.Fr est la fréquence rythme binaire, la modulation étant à 2n états.Il faut noter qu’une modulation à grand nombre d’états (8, 16) permet de réduire, l’encombrement spectral, mais demande une puissance reçue plus élevée que ne le demande une modulation à 4 états.

Puissance reçue entre – 20 et –50 dBm

Puissance Emise entre 0 et 30 dBm

dBm

Seuils de qualité

Seuil à 10 -8 ; - 84 dBm

Seuil à 10 - 6 ; - 87 dBm

Seuil à 10 - 3 ; - 90 dBm

Affaiblissement d’espace libre : de 50 à 150 dB

Gain d’antenne émission

Pertes de branchement et de liaison avec l’antenne, 3 à 10 dB

Gain d’antenne réception

Pertes de branchement et de liaison avec l’antenne, 3 à 10 dB

Marge à 10 - 3

Marge à 10 - 6

Bilan de liaison pour le matériel 9470 LX

44