Baccalauréat en génie électrique et en génie...

Faculté des sciences et de génieDépartement de génie électrique et de génie informatique

Jean-Yves Chouinard

Baccalauréat en génie électrique et en génie informatique

Systèmes de communicationsGEL-3006 (82878)

Systèmes de télécommunications

Notes de cours, édition automne 2017

GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique

• Systèmes de téléphonie

• Systèmes de radiocommunication cellulaires

• Systèmes de télédiffusion

• Systèmes de télécommunications par satellite

Système téléphonique originalLe système téléphonique de base (analogique) a évolué à partir du simple circuit analogique inventé par Alexander Graham Bell en 1876.

Référence : fig. 8.1 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).

Figure 8–1 Historical telephone system.

Système téléphonique analogique local

Figure 8–2 Local analog telephone system (simplified).

Système téléphonique (concentrateurs de lignes)

Pour des distances dépassant quelques kilomètres (selon la grosseur des fils utilisés), il faut avoir recours à des concentrateurs (remote terminal).

Figure 8–3 Telephone system with remote terminals.

Système téléphonique (concentrateurs de lignes)

Chaque concentrateur de lignes contient une carte de conversion :

Référence : fig. 8.4a du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).

Figure 8–4(a) Remote terminal (RT). (a) POTS Line Card in a RT.

Système téléphonique (lignes numériques)Lignes numériques : ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

Figure 8–5 G.DMT digital subscriber line.

Système téléphonique (lignes numériques)Lignes numériques ADSL:

• Liaison descendante (downlink) : 6.1 Mbps (bps : bits par seconde)• Liaison montante (uplink) : 640 kbps

Modulation multiporteuseDMT (Digital MultiTone) OFDM :

• jusqu’à 256 sous-porteuses

• jusqu’à 15 bits/symbole M-QAM

Figure 8–5 G.DMT digital subscriber line.

Système téléphonique (lignes numériques)

Le réseau numérique intégré de services (RNIS) (en anglais : ISDN (Integrated Service Digital Network), est populaire au Japon et en Europe, mais peu répandu en Amérique du Nord.

Figure 8–6 N-ISDN system with subscriber equipment attached.

Systèmes de télécommunications cellulaires

Systèmes de télécommunications radio cellulaires :

• communication avec mobiles et portables

• possibilité d’un grand nombre d’utilisateurs

• utilisation efficace du spectre de fréquences

Transmission dans les canaux radio mobiles :

• propagation par trajets multiples (multivoie) (multipath)

• affaiblissements quasi-périodique des signaux (fading)

• canaux dispersifs en temps (interférence intersymbole)

• effet Doppler (mouvement du véhicule)

• bruit

Figure 8–29 Cellular telephone system.

Référence : fig. 12.17 du livre de référence (B.P. Lathi et Z. Ding, Modern Digital and Analog Communication Systems, 4e éd., 2009).

Nombre de cellules dans un système cellulaire :

2 2 3( 1, 1)

N i ij ji j

= + + == =

2 2 7( 1, 2)

N i ij ji j

= + + == =

2 2 12( 2, 2)

N i ij ji j

= + + == =

Référence : tableau 9.15 du livre de référence (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).

Nombre de cellules en fonction du schéma de réutilisation des fréquences :

Réutilisation des fréquences dans un système radio cellulaire :

Référence : fig. 10.30 du livre de référence (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 7e éd.).

Grille hexagonale (système de coordonnées) pour un système cellulaire :

( )Cellules (hexagonales) :

coordonnées du centre des cellules : ,rayon (normalisé) d'une

1cellule hexagonale : 3

distance entre les centres de cellules = 1

nombre de cellules (schéma de répétition)

⇒2 2

, où , sont des entiers

interférence co-canal (stations de base émettant sur la même fréquence) :

13 33co

N i ij j i j

d N r N N

Schéma de répétition d’un système cellulaire (cdmaOne : N=3)

2 2 3, ( 1, 1)N i ij j i j= + + = = =

Schéma de répétition d’un système cellulaire (GSM : N=7)

2 2 7, ( 1, 2)N i ij j i j= + + = = =

Schéma de répétition d’un système cellulaire (AMPS : N=12)

2 2 12, ( 2, 2)N i ij j i j= + + = = =

Systèmes de télécommunications cellulaires :Pertes de propagation, interférence co-canal et SIR

00 0 0

dBW 0,dBW 10 0 10

Puissance à une distance (par rapport à la distance ) :

, où est la puissance [watts] à une distance de référence

10 log 10 log [dBW]

Rapport signal-à-int

P r r r

rP r P P rr

P r P r r

= + −

( ) ( )

dB dBW dBW

signal désiré à interférence co-canal à

dB 0,dBW 10 0 10 0,dBW 10 0 10

erférence co-canal :

10 log 10 log 10 log 10 log

10 log

A co A

r d r d d

A co A

SIR P d P d d

SIR P r d P r d d

α α α α

= = −

= − −

= + − − + − −

10co A

co Ad d−Adstation A station B

mobile

dB 10 10

Rapport signal-à-interférence co-canal :

10 log 10 log 1

Rapport signal-à-interférence co-canal à mi-chemin = (pire cas) :

10 log 0 [

co A co

co A A

d d dSIRd d

d dSIRd d

−= = −

commutation de la station de base à la station de base A B⇒

( )co A Ad d d− =Adstation A station B

mobile

Rapport signal-à-interférence co-canal minimal (GSM : 7) :N =

mobile

station G

station F

station B

station E

station D

station C

station A

Rapport signal-à-interférence co-canal minimal (cellules hexagonales) :

grille hexagonale 6 stations interférentes (pire cas) :

1 1= (en linéaire)6 6

A co A

rPd d dSIR

drPd d

( )dB,min 10 10

dB,min 10

10 log 10log 6 [dB]

10 log 7,78151 [dB]

d dSIRd

−= −

mobile

station A

Systèmes de télécommunications cellulaires :Exemple de calcul d’efficacité

Exemple 10.9 (Ziemer et Tranter, 7ème édition) :

Système cellulaire avec largeur de bande totale de 6 MHz :3 MHz en liaison station de base-mobile ( )3 MHz en liaison mobile-station de ba

forward link⇒⇒

dB,min

se ( ) pertes de propagation en =3.5rapport signal-à-interférence minimum : 20 dBespacement entre les canaux mobiles : 25 kHz

a) nombre de total d'utilisateurs?b) facteur de ré

reverse link

SIRα⇒

utilisation des fréquences, ?c) nombre maximal d'utilisateurs par cellule?d) efficacité (nombre de canaux par station de base par MHz)?

dB,min 10

3 MHza) nombre de total d'utilisateurs = 120 utilisateurs (dans les 2 sens)25 kHz

b) facteur de réutilisation des fréquences, , avec 3.5?

10 log 7,78151 20 dB

10 3.5 log

d dSIRd

−= − ≥

⇒ × ×

( ) ( )

20+7,78151

20 7,78151 10 3.5 6,21952

3 7,2195227,21952

17,373863

19 cellules avec 2, 3

co A A

d N d d

−≥

+ ×−

⇒ = =

⇒ = ≥

⇒ ≥ =

⇒ = = =

a) nombre de total d'utilisateurs :

120 utilisateurs (dans les 2 sens)b) facteur de réutilisation des fréquences, , avec 3.5?

19 cellulesc) nombre maximal d'utilisateurs par cellule?

120 utilisateu

rs 6 utilisateurs par cellule19 cellules

c) efficacité (nombre de canaux par station de base par MHz)?

6 canaux par station de base6 MHz

canal/station de base1 MHz

Évolution des systèmes radio cellulaires :

• 1ère génération (modulation analogique) :

• AMPS, 1983, Amérique du Nord (FM, FSK, 30 kHz)

• ETACS au Royaume-Uni et JTACS au Japon (FM, FSK, 25 kHz)

• 2e génération (modulation numérique) :

• GSM, 1990, Europe, Asie (TDMA, GMSK, 200 kHz (8 utilisateurs), 270.833 kbps)

• IS-136, 1991, Amérique du Nord (TDMA, π/4 DQPSK, 30 kHz, 468.6 kbps)

• IS-95, 1993, Amérique du Nord, Asie (CDMA, QPSK, 1250 kHz, 9.6 kbps)

• iDEN, 1994, Amérique du Nord (TDMA, 16QAM, 25 kHz, 64 kbps)

• 3e génération (transmission de voix et données, hauts débits) :

• cdma2000, 2000, Europe, Japon (CDMA, QPSK et BPSK, 1.25 à 20 MHz, 5740 kbps)

• W-CDMA, 2000, Europe, Japon (CDMA, QPSK et BPSK, 5 à 20 MHz, 1036.8 kbps)

Évolution des systèmes radio cellulaires :

• 4e génération (2010, 100 Mbps) : normes définies par IEEE, 3GPP, et WiMAX forum

• LTE (Long-Term Evolution), États-Unis, Europe

• IEEE norme 802.16 WiMAX• Systèmes multiporteuses OFDM

• Systèmes MIMO à antennes mutiples de transmission et de réception

• Modulation adaptative et codage

• 5e génération (2020) :

• Réseaux sans fil hyperdenses :• Communications machine à machine, dispositif à dispositif

• Capacité accrue d’un facteur 1000 par unité de surface (aire)• 10 à 100 fois plus de dispositifs

• Débits entre utilisateurs de 10 à 100 fois plus élevés

• Durée de vie des piles 10 fois plus longues

Référence : tableau 9.16 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).

Systèmes radio cellulaires de 1ère et 2e génération :

Systèmes de télécommunications cellulairesSystèmes radio cellulaires de 3e génération (début) :• capacité de transmission (W-CDMA: 1.8 à 1036.8 kbps, cdma2000: 7.5 à 5740 kbps)• transmission de voix et données

Systèmes de télécommunications cellulairesSystèmes radio cellulaires de 3e génération (fin) :

Réseaux locaux sans fil (wireless LAN) IEEE 802.11b

Systèmes de télédiffusion(génération d’un signal de télévision monochrome)

Figure 8–30 Generation of a composite analog black-and-white video signal.

Systèmes de télédiffusion(émetteur de télévision analogique monochrome NTSC)

Figure 8–31 TV transmission system.

Systèmes de télédiffusion(récepteur de télévision analogique monochrome NTSC)

Figure 8–32 Black-and-white TV receiver.

Systèmes de télédiffusion(transmetteur de télévision analogique couleur)

Figure 8–34 Generation of the composite NTSC baseband video signal. [Technically, mq(t) is low-pass filtered to an 0.5-MHz bandwidth and mi(t) is low-pass filtered to a 1.5-MHz bandwidth.]

Systèmes de télédiffusion(enveloppe complexe de la sous-porteuse couleur)

( )( )( )

( )( )

Matrice de transformation de RGB à luminance-chrominance :

0.3 0.59 0.110.6 0.28 0.320.21 0.52 0.31

Signal en bandevidéo composite de NTS base :

m t m tm t m tm t m t

m tm t

= − − −

=( ) ( )

( ) ( ) ( )

ervalle de temps de synchronisation

intervalle de tem

enveloppe complexe de la sous porteuse vidéo

ps vidéo

où l' est

scj f ty sc

jsc i q

m t g t e

g t m t jm t e

Systèmes de télédiffusion(enveloppe complexe de la sous-porteuse couleur)

Figure 8–35 Vectorscope representation of the complex envelope for the 3.58-MHz chrominance subcarrier.

Systèmes de télédiffusion(récepteur de télévision analogique couleur NTSC)

Figure 8–36 Color TV receiver with IQ demodulators.

Systèmes de télévision numérique

DVB : ATSC :

Modulation numérique (regénération des trains d'ondes binaires)Utilisation de circuits de traitement du signalCanaux audio

Digital Video BroadcastingAdvanced Television System Committee

⇒⇒⇒ multiples (de 4 à 6 canaux de qualité CD)

Cancellation des effets (fantômes) dus à la propagation multivoiePossibilité de transmettre plusieurs canaux SDTV simultanémentPossibilité de multiplexer d

⇒⇒⇒ es données (e.g. titrage)

Puissance d'émission requise plus faible (modulation numérique)Interférence co-canal plus faible qu'en TV analogique (NTSC)

⇒⇒

Systèmes de télédiffusion(trame temporelle d’un signal de télévision numérique 8-VSB)

Figure 8–38 8-level baseband signal with segment sync.

Systèmes de télédiffusion(spectre d’un signal de télévision numérique 8-VSB)

Figure 8–39 Spectrum of 8-VSB DTV signal with square root raised cosine-rolloff.

Systèmes de localisation GPS par satellite

Télécommunications par satellite

• Le signal reçu par l’usager doit être assez puissant.• Utilisation des orbites:

• Orbites terrestres basses (LEO: Low Earth Orbit) (640 à 2 000 km),

• Orbites terrestres moyennes (MEO: Medium EarthOrbit) (8 000 km) et

• Orbites terrestres hautes (HEO: High Earth Orbit) (16 000 km).

• Plusieurs satellites sont utilisés.

Allocation de fréquences pour les satellites

• Bande C: • Liaison montante (uplink): 6 GHz, • Liaison descendante (downlink): 4 GHz (6/4 GHz).

• Bande Ku: • Liaison montante (uplink): 14 GHz, • Liaison descendante (downlink): 12 GHz (6/4 GHz).

Figure 8–8 Communications satellite in geosynchronous orbit.

Satellite de télécommunication: transpondeur

• Un satellite de communications possède un certain nombre de transpondeurs qui amplifient le signal reçu et le retransmettent.

• Dans la bande 6/4 GHz, les satellites ont typiquement 24 transpondeurs, chacun ayant une largeur de bande de 36 MHz.

• Les fréquences sont réutilisées: polarisation verticale sur 12 transpondeurs et polarisation horizontale sur les 12 autres.

Méthodes d’accès multiple (satellite)

• Semblable à ce qui existe pour les systèmes terrestres: • MRT: multiplexage temporel (TDM): DS1, DS-2, .... • MRF: multiplexage fréquentiel (FDM).

• Une différence avec les systèmes terrestres: accès multiple à partir de plusieurs points:– AMRT: accès multiple à répartition de fréquences

(FDMA: frequency-division multiple access),– AMRT: accès multiple à répartition dans le temps

(TDMA: time-division multiple access);– AMRC: accès multiple à répartition de codes

(CDMA: code-division multiple access);– AMRC: accès multiple à répartition de faisceaux (antennes)

( SDMA: space-division multiple access).

• De plus, on peut utiliser l’un des deux systèmes suivants:– Accès multiple à assignation fixe (FAMA: fixed-assigned

multiple access) et– Accès multiple à demande d’assignation (DAMA: demand-

assigned multiple access).

• DAMA: les formats AMRT (TDMA), AMRF (FDMA) ou AMRC (CDMA) sont adaptés selon le traffic –utilisation plus efficace du satellite, mais plus cher à réaliser et à maintenir.

• En FDMA, il se produit de la modulation d’amplitude lorsque les porteuses sont activées ou dé-activées: la non-linéarité (typique) des amplificateurs de puissance peut causer des produits d’intermodulation.

• En TDMA, il n’y a pas ce problème, puisqu’un seul signal à enveloppe constante (e.g. QPSK) est utilisé. Par contre, il faut un contrôle strict des temps de transmission (synchronisation plus précise).

Systèmes de télécommunications par satellite

Référence : fig. 9.32 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).

Méthodes d’accès multiple : AMRT (TDMA), AMRF (TDMA), AMRC (CDMA)

Figure 8–13 Interleaving of bursts in a TDMA satellite.

Figure 8–14 Typical TDMA frame format.

Systèmes de radiodiffusion par satellite

Référence : tab. 8.3 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).

Systèmes de radiodiffusion par satellite

Référence : tab. 8.3 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).

Configurations de liaisons satellite : « bent-pipe » et « On-Board Processing »

Diagramme de rayonnement d’une antenne :

4Gain d'antenne maximal :

: aire de l'antenne [m ]: longueur d'onde [m]: efficacité de l'antenne

4Antenne à ouverture circulaire : 4

: diamètr

πρλ

π π πρ ρλ λ

⇒⇒⇒

e de l'antenne [m]

Largeur du faisceau à mi-puissance (approximation) : [radians]ad

λφρ

Station terrestre de transmission-réception satellite

Budget de liaison : liaison satellite-terrestre

Budget de liaison :• amplification et retransmission : (Bent-pipe relay)• démodulation et remodulation : (OBP: Ob Board Priocessing)

Budget de liaison : (Bent-pipe relay)Liaison montante entre le transmetteur terrestre et le relais satellite ( )

: puissance du signal reçu au satellite: puissance du bruit reçu au satellite

: gain du relais satellite (répét

uplinkPPG

⇒⇒⇒

itrice): puissance du signal transmis du satellite au récepteur terrestreT

T us un

P G P P

Budget de liaison : (Bent-pipe relay)Liaison descendante entre le relais satellite et le récepteur terrestre ( )

: gain de l'antenne de transmission au satellite: pertes de puissance atmosphériques dans la liaison descendante

downlinkGL

⇒⇒

: pertes de propagation dans la liaison descendante

: gain de l'antenne de réception au récepteur terrestre: gains et pertes combinées de la liaison descendante

: puissance du signal reçu

⇒⇒⇒

au récepteur terrestre

t rrs us us

G GP GG P G PL L

Budget de liaison : (Bent-pipe relay)Bruit dans la liaison descendante entre le satellite et le récepteur terrestre

: puissance du bruit causé par la liaison montante au satellite: puissance du bruit au récepteur terrestre causé p

⇒⇒

ar la liaison descendante: puissance du bruit au récepteur terrestre causé par la liaison montante :run

t rrun un un

G GP GG P G PL L

Budget de liaison : (Bent-pipe relay)

Rapport porteuse-à-bruit ( ) au récepteur terrestre: puissance du signal reçu au récepteur terrestre: puissance du bruit au récepteur terrestre causé par la liaison monta

carrier - to - noise ratioPP

⇒⇒

TOT TOT

nte: puissance du bruit dans la liaison descendantedn

a prs usr

run dn un dnt run dn

G GG PL LP GG PCNR

P P GG P PG GG P PL L

GG PGG P

CNRGG P PGG P GG P

1 où et 1 1

un dnr u d

P PP GG P

P PCNR CNR CNRP GG P

CNR CNR

= = = +

Relation entre et le rapport signal-à-bruit :

: puissance de la porteuse (modulée): énergie par symbole: durée d'un symbole: densité spectrale de puissance: largeur de bande

CNR SNR E N

⇒⇒⇒⇒⇒

( ) ( )

de transmission (en bande passante)

1 11 1 1 1

où et : rapports signal-à-bruit en liaiso

sc sT s

u d s su d

s su d

ETP ECNR CNR B T

N B N B N

CNR CNR E N E N

E N E N

= = ⇒ = ⋅ ⋅

= ⇒ = + +

ns montante et descendante

Exemple 9.9 (Ziemer et Tranter) :

Modulation BPSK : 2 et

probabilité d'erreur : 10 rapport signal-à-bruit : 10.53 [dB]

s b s b

récepteur

récepteur b b

uplink

M T T E E

EN E E

= ⇒ = =

= ⇔ ≅

10.53 101

1 1 10

10 11.298 (en linéaire)

111.298

downlink

downlink b b b

récepteur uplink uplink

EN E E E

− − −

⇒ = =

− −

Référence : tableau 9.13 et fig. 9.36 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).

Exemple 9.9 : modulation BPSK, 10 et 10.53 [dB] :bE

récepteur

− = =

Budget de liaison : OBP (On Board Processing)

Budget de liaison (démodulation et remodulation) : (On Board Processing)

, , , ,

, ,0 0u

Probabilité d'erreur : 2

2 2où et

E E u E d E u E d

b bE u E d

P P P P P

E EP Q P QN N

= + − ⋅

Budget de liaison : OBP (On Board Processing)

Référence : tableau 9.14 et fig. 9.36 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).

Baccalauréat en génie électrique et en génie...

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