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Département Signal et Télécommunications Année scolaire 2007/2008

TP5B Tronc Commun Organisation

ORGANISATION DES SEANCES DE TP DE TRONC COMMUN

LES TRAVAUX PRATIQUES SE DEROULENT SALLE M13 (SAUF LES TP VHDL)

LISTE DES TRAVAUX PRATIQUES

TC01 Codage de Canal TC02 Transmission Numérique en Bande de Base TC03 Fibres Optiques TC04 Propagation sur une ligne : adaptation d'impédance TC05 Traitement Numérique du Signal TC06 COMSYS : communications analogiques TC07 VHDL : Simulation Logique TC08 VHDL : Synthèse Logique

HORAIRES DES SEANCES

Lundi 08h45-12h45 IRT Vendredi 08h45-12h45 ISE Vendredi 14h00-18h00 SIS

CALENDRIER DES SEANCES

Lundi 01/10 – Vendredi 05/10 Présentation des TP Lundi 08/10 – Vendredi 12/10 1ère semaine S01 Lundi 15/10 – Vendredi 19/10 2ème semaine S02 Lundi 22/10 – Vendredi 26/10 3ème semaine S03 Lundi 29/10 – Vendredi 02/11 4ème semaine S04 Lundi 05/11 – Vendredi 09/11 5ème semaine S05 Lundi 12/11 – Vendredi 16/11 6ème semaine S06 Lundi 19/11 – Vendredi 23/11 7ème semaine S07 Lundi 26/11 – Vendredi 30/11 8ème semaine S08 Lundi 03/12 – Vendredi 07/12 9ème semaine S09 Lundi 10/12 – Vendredi 14/12 10ème semaine S10 Lundi 17/12 – Vendredi 21/12 Pré soutenance de projet

ESME Sudria Département Signal et Télécommunications Année Scolaire 2007/2008

Travaux Pratiques de Tronc Commun 1 5ème Année B

TP01 : Codage de Canal en Bande de Base



1 Introduction

1.1 Généralités

En général les dispositifs de sorties des sources d'informations sont réalisés au moyen de circuits numériques appartenant à une famille standard (TTL, CMOS, ECL...). Le signal issu directement de ces circuits se prête mal à une transmission à grande distance par une ligne, un guide d’onde ou en espace libre (via des antennes). En effet ce signal ne possède pas les propriétés spectrales pour assurer une transmission efficace, deux procédés sont habituellement utilisés pour adapter le signal au support de transmission :

• le transcodage

• la modulation

Le but de ce T.P. est d'étudier les procédés de transcodage (ou codage de canal) permettant de passer du codage utilisé par la source d'information à un codage mieux adapté au support de transmission.

1.2 Questions théoriques

Qu’est ce que le codage de source et le codage de canal ? Expliquez le rôle de ces deux codages dans une chaîne de transmission.

2 Etude préliminaire d'un générateur pseudo-aléatoire.


Les générateurs de séquences pseudo aléatoires reposent sur l'utilisation de registres à décalage bouclés sur eux même via un ou plusieurs OU EXCLUSIF. Proposez un schéma de principe (avec un seul OU EXCLUSIF) pour réaliser le générateur pseudo-aléatoire dont le polynôme caractéristique de degré 4 est :

( ) 4P z = 1 + z + z

Le signal binaire généré par ce générateur sera périodique de période 24 - 1 = 15 bits. Quel est le motif généré par ce schéma ?

La fonction d'autocovariance ( )xγ τ de la séquence générée sera périodique et aura la forme suivante :

TH 0 15TH τ

γx(τ)

P



En écrivant ( ) ( ) ( ) ( )H H H

stex T T 15T

= C r r | | |γ τ τ τ τ∗ ∗ , calculez et représentez la densité spectrale de

puissance de cette séquence pseudo aléatoire.

(avec ( )HT

r τ qui représente la fonction porte de largeur HT , ( )H 15T

| | | τ le peigne de Dirac de période

H15T et ∗ la convolution),

2.2 Questions pratiques

En commutant l’interrupteur ‘’sélection mot’’ sur la position ‘’pseudo aléatoire’’ et en injectant un signal d’horloge TTL à 5 kHz sur l’entrée ‘’CK_In’’, observez et tracez le chronogramme et le spectre obtenu à la sortie ‘’NRZ_Out’’. Expliquez de manière très détaillée vos relevés.

3 Etudes de différents codes en ligne (transcodage)


Qu'est ce que le codage différentiel ? Expliquez l'avantage d'un tel codage par rapport au codage direct. Proposez un schéma de principe pour réaliser un codeur différentiel.

3.2 Etude des formes d'onde

Pour cette partie, on utilisera un mot fixe que l’on codera à l'aide des interrupteurs ‘’Mot parallèle’’ et on commutera l’interrupteur ‘’sélection mot’’ sur la position ‘’fixe’’. On injectera, sur l’entrée ‘’’CK_In’’, un signal d’horloge TTL à 5 kHz pour séquencer les mots et on synchronisera l'oscilloscope à l'aide de la sortie "Synchro_Out". Observez et tracez les chronogrammes pour chacun des codes. Présentez vos résultats sur une même feuille, sur laquelle figurera également l'horloge de séquencement (sortie ‘’CK_Out’’). Indiquez des configurations (mot et code) pour lesquelles un même mot peut être codé de deux façons différentes.

3.3 Etude spectrale

Expliquez pourquoi on ne peut pas utiliser un mot fixe pour faire l’étude spectrale. Pour générer les mots on commutera l’interrupteur ‘’sélection mot’’ sur la position ‘’aléatoire’’, en conservant le signal d’horloge à 5KHz. Relever les spectres des différents codes en faisant figurer la raie d'horloge (si elle existe) et ses harmoniques. Les spectres doivent être gradués en fréquence et en énergie à partir des valeurs relevées sur l'oscilloscope. Expliquez la forme des spectres mesurés. Faites une étude comparative (présentée dans un tableau) des résultats des mesures :

• composante continue

• largeur du premier lobe

• énergie contenue dans le premier lobe

• niveau de la raie d'horloge

Si on opère un changement de fréquence de l’horloge externe quel est l’impact de ce changement de cadence sur l’analyse spectrale ?

Proposez une méthode pour récupérer l’horloge quelque soit le type de code utilisé.

Conclusions sur le choix du code le plus satisfaisant.



TP02 : Transmission Numérique en Bande de Base



1 Introduction Le but de ce TP est d’une part d’étudier les propriétés d’un canal de transmission de type filaire et d’observer les déformations d’un signal numérique lorsqu’il se propage sur ce canal, et d’autre part d'étudier la structure d’un récepteur numérique qui permet de remettre en forme le signal après transmission à travers un canal bruité. Le récepteur d'un système en bande de base est a priori simple puisqu'il n'a pas à effectuer de démodulation

2 Etude du canal de transmission Remarque : Ne pouvant pas disposer d’un support réel de grande longueur (par exemple un câble de 1 à 2 km de long), le canal de transmission est en fait réalisé à l’aide de composants discrets (bobines, condensateurs et résistances). Les valeurs des composants choisies pour notre étude permettent d’approcher les caractéristiques d’un câble téléphonique pupinisé. De plus, un générateur de bruit est intégré à la ligne afin d’observer la transmission en présence de bruit

2.1 Question théorique Donner les caractéristiques principales d'un canal de transmission. Citer les différents supports de transmission que vous connaissez.

2.2 Question pratique Cette étude sera réalisée sans ajout de bruit sur le canal, l’interrupteur ‘’bruit’’ sera donc en position ‘’sans’’. La ligne est modélisée par un filtre passe bas à retard de groupe constant. Relever à l’aide du générateur et de l’oscilloscope les valeurs de la fréquence de coupure à -3dB et le temps de propagation de groupe (inutile de tracer les diagrammes de Bode correspondants).

3 Etude du diagramme de l’oeil

3.1 Question théorique Qu’est ce que l’IES ? Qu'est ce que le diagramme de l'œil ? Donner les paramètres de l'œil.

3.2 Déformation des signaux. Pour cette partie, on utilisera un mot fixe que l’on codera depuis la maquette d’émission (« codage de canal »). On injectera, sur l’entrée ‘’’CK_In’’, un signal d’horloge TTL à 5 kHz pour séquencer les mots et on synchronisera l'oscilloscope à l'aide de la sortie "Synchro_Out".

Transmettre sur la ligne le mot suivant 10100000 codé en NRZ. Observer et tracer les signaux à l'entrée et à la sortie de la ligne (sans ajout de bruit), ainsi qu’à la sortie du filtre d’entrée du récepteur. Faites varier la fréquence de coupure de ce filtre (4 positions possible). Qu’observez vous ? Quelle paramètre avez vous mesuré de manière empirique avec ce mot ?

Transmettre maintenant sur la ligne un signal pseudo aléatoire codé en NRZ, et relever le spectre du signal à l'entrée et à la sortie de la ligne (sans ajout de bruit), ainsi qu’à la sortie du filtre d’entrée du récepteur en faisant varier la fréquence de coupure du filtre. Quelle est la fréquence de coupure optimale pour cet exemple ? Pourquoi ? Que se passe-t-il si le mot est codé en NRZ ?

Refaites les mesures précédentes mais en ajoutant du bruit sur la ligne, et commentez vos observations. Quel compromis doit réaliser la fréquence de coupure optimale du filtre réception.



3.3 Diagramme de l’œil Le diagramme de l’œil peut être obtenu directement au moyen d’un oscilloscope : on transmet une suite de symboles aléatoires et l’on observe le signal en sortie du canal sur l’écran de l’oscilloscope ; la base de temps de ce dernier étant synchronisée sur la fréquence d’horloge d’émission. Si l’oscilloscope possède une rémanence suffisante un grand nombre de traces sont visibles simultanément sur l’écran. Reprendre une fréquence d’horloge à 5 KHz et :

• observer et imprimer les diagrammes de l’œil pour les codes NRZ et BNRZ

• ajouter du bruit sur la ligne, observer et commenter la détérioration du diagramme de l'œil.

4 Récepteur Le récepteur d'un système en bande de base est a priori simple puisqu'il n'a pas à effectuer de démodulation. Il doit reconstituer la suite des données en appliquant, en des instants précis, un critère de décision au signal. Le signal reçu qui a été déformé et bruité doit être remis en forme. La méthode la plus simple de remise en forme est uniquement basée sur l'utilisation de comparateur (méthode utilisée dans ce TP), mais elle ne peut s'appliquer qu’à des codes utilisant des motifs rectangulaires. Deux conditions doivent être réalisées pour minimiser le nombre d'erreurs :

• le choix des instants d’échantillonnage

• le seuil de décision

4.1 Remise en forme avec horloge externe

Basculer l’interrupteur de la maquette de réception sur le mode horloge et injecter (toujours sur la même maquette) l’horloge d’émission. A l'aide du diagramme de l'œil, et pour le code NRZ (mot aléatoire), effectuer les réglages du récepteur nécessaire à la reconstruction en agissant sur le retard et le seuil d'échantillonnage (réglages à effectuer à l’aide de l'oscilloscope). Expliquer la méthode.

Observer ensuite à l’aide du mot fixe 101000000 que la reconstruction s’effectue bien. Justifier vos réglages et faites viser vos résultats par un assistant.

Augmenter la fréquence d’horloge d’émission (sans addition de bruit) et définir à partir de quelle fréquence apparaissent des erreurs de transmission. Revenir à une fréquence d’horloge d’émission de 5 KHz. Ajouter du bruit sur la ligne et mesurer (en volt efficace) à partir de quel niveau de bruit apparaissent des erreurs de transmission. Expliquer pourquoi un comparateur à hystérésis peut permettre de diminuer le nombre d’erreurs.

4.2 Avec régénération du signal d'horloge. Lorsque l'horloge n'est pas fournie extérieurement, le principal problème est d'assurer le synchronisme de l'horloge de réception et de l’horloge d'émission. Pour cela il est indispensable que le récepteur se cale sur la position des fronts de l'horloge d'émission. Le code choisi devra donc transmettre le plus possible ces fronts pour servir de signal de référence à une boucle à verrouillage de phase qui régénérera l'horloge.

• Dans un protocole de communication, c'est à dire dans l'ensemble des conventions passées entre

l'émetteur et le récepteur, figure souvent l'existence d'un préambule (101010...10 ou une suite particulière) précédant l'émission de l'information utile. A quoi sert ce préambule?

• Choisir le code qui vous paraît approprié pour récupérer l'horloge. Justifier votre réponse.

• En choisissant le code approprié (et en n’oubliant pas de débrancher l’horloge de la maquette de

réception), basculer l’interrupteur sur le mode PLL. Après avoir fait vos réglages des instants d’échantillonnage et du seuil de comparaison, faites varier la fréquence du VCO pour rechercher le synchronisme, et observer sur le mot fixe 10100000 la bonne reconstruction du signal. Faites viser votre observation par l’assistant.


Travaux Pratiques Tronc Commun 1 5ème Année B

TP03 : Fibres Optiques



Le but de ce T.P. est de familiariser les élèves aux composants utilisés dans les systèmes de

communications optiques ainsi que les techniques de caractérisations de ces composants. Le T.P est découpé en deux parties : l'étude des composants actifs et l'étude des composants passifs. Il est fortement conseillé de préparer à l’avance cette étude et de résoudre les problèmes de nature théorique.

Mots clefs : DEL, LASER, PIN, APD, Fibres optiques, Rétrodiffusion, Atténuation, Injection courte/longue,

Ouverture numérique.

Les cordons optiques (ou jarretières optiques) doivent être manipulés avec précaution, en particulier il ne faut ni les plier ni les pincer. Pour plus de précaution, lors de la première manipulation vérifiez leur bonne constitution en interchangeant les cordons.

Cordons optiques blanc: fibres multimodes. Cordon optique jaune : fibre monomode.

1. Etude d'une DEL.

Le but de cette manipulation est d'une part de relever l'évolution de la puissance lumineuse émise par une DEL (diode électroluminescente) en fonction du courant et, d'autre part, de se familiariser avec des photodiodes qui serviront souvent de « wattmètre optique ».

ICordon Optique

V

R

PINDEL

V

1Ω

On mesure le courant traversant la DEL en branchant un voltmètre aux bornes de sortie prévues en

face avant (IDEL). La résistance en série avec la DEL étant de 1Ω, on lira donc directement des courants sur le voltmètre.

Pour mesurer la puissance optique on procédera de la manière suivante. On mesure la tension aux bornes de la charge R (R = 10 kΩ) de la PIN (Sortie Modulation), on en déduira le courant traversant la photodiode. Connaissant la sensibilité S du photodétecteur (S=0,5A/W) on déterminera alors la puissance optique détectée.

En agissant sur le potentiomètre "Polarisation DEL", relevez P= f(I) point par point et tracez la courbe. Donnez la valeur de la puissance pour I=50mA. Déterminez le rendement quantique de la DEL (traduisant la proportion de photons émis par électron injecté).



2. Etude d'une diode laser.

Le but de cette manipulation est de relever l'évolution de la puissance lumineuse émise par la diode laser en fonction du courant.

Cordon Optique

V

R

PINDL

y

On utilisera la DL (diode laser) du module rétrodiffusion. La mesure du courant traversant la DL se fera en branchant l'entrée d'un oscilloscope sur la fiche BNC "Courant Laser". La résistance en série avec la DL étant de 1Ω on lira donc directement des courants.

La mesure de la puissance optique se fera comme précédemment en utilisant la diode PIN du module à 850nm.

Remarque : Le Laser fonctionne en régime impulsionnel, on mesurera donc Icrête. Le

déclenchement de l'oscilloscope n'est pas toujours aisé, il faudra donc bien ajuster le seuil de déclenchement.

En agissant sur le potentiomètre "Courant Laser", relevez P = f(Icrête) point par point et tracer la courbe. Donnez la valeur de la puissance pour I=4A. Déterminez le courant de seuil et le rendement en puissance (∆Popt/∆Pmoy).

Remarque : Pour évaluer la puissance électrique (Pmoy=VImoy). on calculera la tension aux bornes du laser (on sait que qV=Egap) et, on déterminera l'intensité moyenne Imoy en mesurant la largeur de l'impulsion ainsi que sa fréquence de répétition.

3. Etude d'une photodiode à avalanche.

Le but de cette manipulation est de relever le gain d'avalanche d'une photodiode en fonction de la tension inverse qui lui est appliquée.

Cordon Optique

DL

C1

Cordon Optique

C2

F2 APD

Voie1 Voie2RétrodiffusionCourant las.

F1



On utilisera le module rétrodiffusion. La diode laser sera polarisée de manière à ne pas saturer la

photodiode à avalanche (APD) lorsque cette dernière sera polarisée à sa tension maximum (Vp=230 volts). Ensuite relevez pour différentes tensions d'alimentation de la photodiode, le courant qui la traverse et tracez point par point la courbe MdB=f(V). Commentez la courbe et donner la valeur de M pour V = 190v.

Remarque : Le facteur d’avalanche M de la photodiode est égal au rapport I(V)/I0. I0 est l'intensité mesurée lorsque la photodiode est polarisée avec une tension relativement faible afin que son facteur d'avalanche M soit égal à 1 (Vp=20v).

MdB= 20 Log I(v) I0

4. Bande passante d’un photo récepteur PIN

En considérant que le photorécepteur PIN peut être modéliser par un système du premier ordre, proposer une méthode pour mesurer la bande passante du récepteur. En utilisant cette méthode, mesurer sur la bande passante du détecteur PIN de la maquette . Quelle différence existe t’il ? Comment l’expliquer ?

A la vision du schéma électrique utiliser pour polariser le photo détecteur (Voir première partie) montrer que

cette la mesure est dépendante du circuit électronique de polarisation. Quel montage devrait-on utiliser pour maximiser la bande passante du photo détecteur ?

5. Etude des fibres optiques

Cordons optiques blanc: fibres multimodes nc = 1.45 et ∆n = nc - ng = 0,015 Cordon optique jaune : fibre monomode.

5.1 Mesure de la longueur.

Pour effectuer cette mesure on utilisera le module à 1300nm, la photodiode à avalanche sera polarisée avec une tension relativement forte (Vp de l'ordre de 25V) et on réglera le courant de la DEL à 80mA. On injectera alors, un signal carré d'amplitude 1V crête (0-1V) et de fréquence comprise entre 50KHz et 300KHz dans l'entrée « modulation ». On connectera la fibre F1 entre la DEL et la photodiode à avalanche.



Entrée modulation

Oscillo

I

V

R

APDDEL

Sortie modulation

Id

Ia

Voie1

Voie2

Fibre F1

A l'aide d'un oscilloscope 2 voies, où l'on a connecté l'entrée modulation sur la voie 1 et la sortie modulation sur la voie 2, visualisez l'impulsion Idépart et l'impulsion Iarrivée. Le décalage des impulsions Id et Ia permet de caractériser le temps de propagation du signal dans la fibre. Déterminez la longueur L de la fibre, en faisant particulièrement attention à lever toute ambiguïté lors de la mesure du temps de décalage.

5.2 Mesure d'atténuation par insertion

Le but de cette manipulation est d'une part de mesurer l'atténuation des fibres par une méthode d'insertion et d'autre part de constater l'influence de la longueur d'onde et les conditions d'injection.

5.2.1 Mesure à 850nm

On utilisera le module à 850nm Régler Idel à environ 80mA

5.2.1.1 Injection courte

Cordon Optique

DEL PINCordon Optique

RaccordC1 C2

PO

Cordon Optique

DEL

C1

PINCordon Optique

C2

P1F1

Reliez la sortie DEL à l'entrée PIN par deux cordons C1 et C2 connectés entre eux. Mesurez à la sortie le signal proportionnel à P0opt. Insérez ensuite entre C1 et C2 la fibre F1: mesurez P1opt. En déduire l'atténuation de la fibre (en dB/Km).



5.2.1.2 Injection longue

Cordon Optique

DEL

C1

Cordon Optique

C2

F2 P0PINCordon Optique

C3Raccord

PINF1Cordon Optique

DEL

C1

Cordon Optique

C2

F2Cordon Optique

C3

On utilisera la fibre F2 pour injecter la lumière dans F1. Mesurer P0 et P1 en réalisant les connections représentées par les figures suivantes. En déduire l'atténuation de la fibre; diffère-t-elle de la valeur trouvée en injection courte? Justifiez la réponse donnée.

5.2.2 Mesure à 1300nm

On utilisera le module à 1300nm, la photodiode à avalanche sera polarisée avec une tension relativement faible (Vp de l'ordre de 2 V), afin que son facteur d'avalanche M soit égal à 1. Ensuite on procédera comme précédemment (cf. mesure à 850nm).

Comparez les valeurs des atténuations à 850 et 1300nm. Sont elles conformes à celles données par la courbe d'atténuation théorique ?

5.3 Caractéristiques des fibres par rétrodiffusion

APD

Cordon Optique

LDF1

Cordon Optique

13

2

Coupleur

Synchro

Rétrodif.

Lorsqu’on envoie une impulsion de lumière, une partie de l’énergie lumineuse est diffusée par le matériau

constituant la fibre optique, chaque section élémentaire se comportant comme un défaut ponctuel. Une partie de la lumière diffusée est renvoyée en direction de la source, cela constitue le phénomène de rétrodiffusion En collectant cette lumière on peut obtenir un signal dont l’analyse permet de déterminer l’atténuation de la fibre, sa longueur, la présence et la position d’un éventuel défaut, l’atténuation d’un connecteur. Cette technique est très utile car elle permet d’effectuer une cartographie d’une liaison par fibre à partir d’une des extrémités et sans détruire la fibre.



Dans l’étude effectuée, on cherche à obtenir la longueur et l’atténuation linéique de la fibre optique. On utilise le module rétrodiffusion. le courant laser sera de l'ordre de 4A; la tension de polarisation de la photodiode à avalanche sera de l'ordre de 210V.

Expliquez le montage utilisé. Observez à l’oscilloscope le signal rétrodiffusé. Distinguez dans le signal les parties provenant du phénomène de rétrodiffusion de celles provenant de phénomènes de réflexion.

Déterminez la longueur de la fibre F1. En mesurant la puissance en deux points dans la partie du signal provenant de la rétrodiffusion, déterminez

l’atténuation relative en puissance entre ces points. Déduisez-en l’atténuation linéique de la fibre . Ajoutez la fibre F2 à la fibre F1, qu'observez vous? Connaissant les incertitudes sur la mesure du temps à l'oscilloscope et sur la valeur de l'indice n de la fibre,

évaluez l'incertitude sur la longueur de la fibre. Déterminez la longueur minimum mesurable avec cette méthode.

5.4 Pertes par connexion

On utilisera le module à 850nm durant cette manipulation.

5.4.1 Pertes intrinsèques

P0

Cordon Optique

8µPIN

Cordon Optique

Cordon Optique

DEL

C1

F1

50µ

50µ

Cordon Optique

PINCordon Optique

Cordon Optique

DEL

C1

F1

50µ

P1

On mesurera la perte de connexion due à des diamètres différents, en raccordant, en injection longue, une fibre multimodes (Diam = 50 µm) avec une fibre monomode (Diam = 8 µm). Sa valeur concorde-t-elle avec la valeur calculée?

A=20log 1

2

20logF

AF

∅=

∅

Effectuez les mêmes mesures en inversant la fibre à petit cœur et la fibre à gros cœur. Conclusions?



TP04 : Propagation sur une ligne Adaptation d’Impédance



ATTENTION MATERIEL FRAGILE : CASSE = PENALITES

Ne pas forcer sur les connecteurs

Ne pas enlever la transition fem - fem au bout de la ligne Avertissement Ce TP est essentiellement expérimental. La qualité des mesure sera déterminante pour arriver aux résultats demandés.

1. Mesures préliminaires

A la fréquence de 600 MHz, relever à l’aide de l’analyseur de spectre l'allure de la tension le long de la ligne et donner le TOS ( Taux d'Ondes Stationnaires = Vmax / Vmin ), mesuré pour :

Z = 0 Z infinie Z = 75 Ohms

Vérifier la longueur d'onde, donner la vitesse de propagation dans la ligne ainsi que les constantes linéiques C et L de la ligne (ligne sans perte, Zo = 50 Ohms). Regarder rapidement le cas où Z = 50 Ohms. Faire les commentaires appropriés.

2. Mesures d'impédances

Pour F = 450 MHz, mesurer l'impédance ZX à l'aide de l'abaque de SMITH. Sur l'abaque, préciser les principales caractéristiques, comme cercle de TOS, coefficient de réflexion etc. Que devient ZX pour F = 350 MHz et F = 550 MHz ?

Donner le module et l’argument du coefficient de réflexion aux 3 fréquences.

3. Adaptation simple stub

On travaille maintenant à la fréquence de 550 Mhz. Pour le montage, utiliser un câble coaxial entre l'extrémité de la ligne de mesure et le stub. 3.1 Vérification du matériel Dans un premier temps, vérifier le bon fonctionnement de la ligne de longueur réglable en la chargeant par 50 ohms, pour différentes positions.



Attention de ne pas aller au-delà de la course disponible (20cm). Ne pas exercer d’effort excessif sur la ligne. Insérer un té avec le stub réglé à lambda/4, puis à lambda/2. Que devient le TOS ? Même question pour une position quelconque du stub. 3.2 Adaptation Adapter la ligne coaxiale terminée par ZY à l'aide du système simple stub disponible sur la table (ligne de longueur réglable et stub). L'adaptation se fait à l'aide de l'abaque de SMITH : déterminer d = distance du stub à la charge ZY et l = longueur du stub.

Préciser les valeurs calculées pour d et l ainsi que le TOS mesuré, pour les deux solutions possibles. Si des retouches sont nécessaires, indiquer les valeurs expérimentales de d et l, et le TOS correspondant. Conclusions ? Faire viser par l’assistant la valeur de TOS obtenue pour chacune des deux solutions.

A.S. ligne de mesure

stub d ZY l

Adaptation simple stub

3.3 Evolution en fonction de la fréquence

Pour une des deux solutions, sans retoucher aux réglages de d et l , faites varier la fréquence autour de la fréquence centrale où l’adaptation a été effectuée et relever la courbe :

TOS = f(Fréq)

On relèvera les valeurs du TOS jusqu’à 5.

A la fin de la séance, démonter le matériel avec précaution.

géné 0 dBm



TP05 : Traitement Numérique du Signal



La manipulation s'effectue sur un micro-ordinateur dans lequel est implanté un logiciel de Traitement Numérique du Signal intitulé TNS. Tous les systèmes seront simulés à l’aide du logiciel et le travail consistera à commenter et expliquer les résultats obtenus et non simplement à les recopier.

1. Etudes d’un filtre numérique particulier

Soit le filtre suivant : 1 1

1( )a z

H za z

− −

−

−=

− avec .1>a

1. Calculer théoriquement le gain et la phase du filtre. Que devient cette phase pour 1.a ? ?

2. Visualiser à l’aide du logiciel les courbes de gain et de phase pour différentes valeurs de a et comparer avec les résultats théoriques. Expliquer les différences. 3. En conclusion, quelle est la fonction réalisée par ce filtre ? Dans quel cas peut-il être utilisé ?

2. Modulation et Démodulation

2.1 Rappels 1. Soit un signal analogique ( )x t d’information fréquentielle maximum maxf . On réalise sur ce signal une

modulation d’amplitude sans porteuse (DBSP) de fréquence 0f : 0( ) ()cos(2 )y t x t f tπ= . Quelle condition

doit respecter la fréquence 0f vis-à-vis de la fréquence maxf pour éviter toute distorsion ?

2. Soit un signal discret nx d’information fréquentielle maximum maxν (avec max0 0.5ν≤ ≤ ) . On réalise

sur ce signal une modulation d’amplitude sans porteuse (DBSP) de fréquence 0ν (avec 00 0.5ν≤ ≤ ) :

0cos(2 )n ny x nπν= . Quelle condition doit respecter la fréquence réduite 0ν vis-à-vis de la fréquence

maxν pour éviter tout repliement spectral ?

2.2 Modulation Charger le fichier REP15 constituant une suite d’échantillons nx .

1. Définir l’occupation spectrale maxν du signal nx ?

2. Moduler le signal avec une porteuse sinusoïdale de fréquence 0 0.3ν = . Observer et commenter le

spectre du signal obtenu ny .

3. Quelle est l’occupation spectrale maximale maxν du signal nx qui n’entraînera pas de distorsion lors

d’une modulation de porteuse 0 0.3ν = ?

4. Que se passe-t-il si la modulation s’effectue à 0 0.15ν = ? et à 0 0.4ν = ?



2.3 Démodulation Afin de retrouver la suite d’échantillons nx , on démodule le signal ny pour obtenir un signal

0cos(2 )n nz y nπν= qui sera par la suite filtré au moyen du filtre RIF défini dans le fichier RIF27.

1. Quelles doivent être, en théorie, les caractéristiques de la fréquence de coupure cν (en fonction de maxν

et 0ν ) du filtre pour retrouver, après démodulation, le signal nx d’origine ?

2. Après avoir chargé le filtre, visualiser ses caractéristiques spectrales (fréquence de coupure cν entre

autres). 3. Que se passe t’il lorsque la modulation/démodulation s’effectue à 0 0.13ν = , 0 0.21ν = et

0 0.15ν = ? Commenter les résultats.

3. Analyses fréquentielles

3.1 Sinusoïdes 1. Définir un signal sinusoïdal de fréquence normalisée 0.125, d'amplitude 1. et de phase 0. Afficher le spectre du signal : la représentation spectrale du signal vous paraît-elle correcte ? Justifier votre

réponse. Pour vous aider dans votre analyse, modifier la précision des calculs en passant du mode « double

précision » au mode « simple précision » et vice versa. Qu’observez-vous au niveau de la représentation spectrale? A quoi cela est-il du ? Afficher 128 points du signal. Est - il périodique ? Quelle est sa période en nombre d'échantillons (c'est à dire quelle est la valeur de l'entier 0N k tel que

( )( ) ( )0 0 0cos 2 cos 2n N nπν πν+ = )

2. Refaire les mêmes opérations pour un signal de même amplitude et phase mais de fréquence 0.140. 3. Recommencer l’opération pour un signal sinusoïdal de fréquence normalisée 0.100, d’amplitude 1 et de phase 0. Que deviennent ses représentations temporelle et spectrale ? 4. En déduire la relation qui doit exister entre la fréquence d'échantillonnage et la fréquence du signal échantillonné pour que la période soit conservée après échantillonnage et pour que la représentation spectrale soit correcte.

3.2 Impulsion rectangulaire Définir un signal de type créneau de largeur 32 points. Le spectre de ce signal sera calculé par une F.F.T. portant sur 1024 points (ordre de la F.F.T. : 10). Afficher le spectre de ce signal en échelle linéaire et justifier son allure par le calcul théorique.

3.3 Signal carré Définir successivement trois signaux carrés de fréquence respective 0.01, 0.25 et 0.40. Visualiser les spectres linéaires de ces différents signaux et justifier (sans calcul) les représentations

obtenues.



3.4 Somme de sinusoïdes 1. Définir un signal comme la somme de trois sinusoïdes d'amplitude 1. et de phase 0. et de fréquences 0.125, 0.25 et 0.375. Afficher le spectre de ce signal. Est-il correct ? Pourquoi ? 2. Prendre maintenant comme fréquence 0.125, 0.40 et 0.60 avec les mêmes caractéristiques d'amplitude et de phase. Commenter le spectre obtenu. 3. Changer la phase de la sinusoïde de fréquence 0.60 en lui donnant une valeur de 90°. Expliquer la forme du spectre du signal ainsi défini.

4. Analyse spectrale par FFT et fenêtres de pondération

4.1 Etude préliminaire 1. Définir une sinusoïde de fréquence 0.123. Visualiser le spectre calculé part une FFT sur 128 points (ordre 7), sans pondération. Recommencer l’opération avec une FFT d’ordre 9 et 10, Qu’observez-vous ? Sur quel(s) paramètre(s) de la représentation l’ordre de la FFT joue t’il ? 2. On effectuera maintenant toutes les mesures avec une FFT d’ordre 9 (512 points), redéfinir la sinusoïde de fréquence 0.123. Effectuer une pondération de ce signal sur 128 points avec une fenêtre rectangulaire. Visualiser le spectre calculé et commenter, Quel phénomène observe t’on ? Peut-on voir l'effet de la fenêtre rectangulaire sur le spectre ? Comparer les résultats obtenus avec différentes fenêtres de pondération. Recommencer l’opération pour une pondération sur 256 points et pour 512 points. En quoi la représentation spectrale est elle modifiée. 3. Quel est l’avantage et/ou l’inconvénient d’une fenêtre de pondération sur le calcul de la FFT ?

4.2 Etude de cas particulier On désire réaliser l’analyse spectrale d’un signal composé de sinusoïdes pures en utilisant un

enregistrement de N échantillons de valeurs nx . La fréquence d’échantillonnage est ef . On calcule une FFT de

la forme :

( )1 2

0

kN j nL

n nn

X k x h eπ− −

=

= ∑ avec 0 1k L≤ ≤ −

expression dans laquelle nh est une fenêtre de pondération de longueur N (comme nx ).

L est le nombre de points de la FFT avec L ≥ N . Pour déterminer les critères qui permettent de choisir les différents paramètres L, N, et nh , on s’appuiera sur

le tableau suivant :

Type A0/A1 Largeur Rectangulaire 13 2/N Bartlett 24 4/N Hann 31 4/N Hamming 43 4/N Blackmann 57 6/N A0/A1 représente le rapport des amplitudes en dB lobe principal/premier lobe secondaire de la transformée de Fourier de la fonction de pondération nh .



On appliquera ces choix à l’exemple suivant : Un RADAR voit plusieurs avions et on admettra que le signal reçu est composé de sinusoïdes de fréquences proportionnelles à la vitesse radiale et séparées d’au moins 2 Hertz. Application : la fréquence d’échantillonnage est de 100 Hertz, les amplitudes sont proportionnelles aux sections efficaces RADAR et leur rapport peut-être de 50. On désire observer la FFT avec une précision d’au moins 0.5 Hz.

1. Déterminer théoriquement en fonction de ces hypothèses : la fenêtre de pondération à utiliser, le nombre de points N d’observation du signal ainsi que le nombre de points L de calcul de la FFT. 2. Vérifier les résultats à l’aide du logiciel.

Table des matières. Communications Analogiques

Travaux Pratiques de Tronc Commun 5ème Année B

1

TP06 : COMSYS Communications Analogiques

Table des matières. Communications Analogiques


2

Table des matières Communications Analogiques

TABLE DE MATIERE 2

COMMUNICATIONS ANALOGIQUES 2

PREMIERE PARTIE 3

ETUDE THEORIQUE 3 1. INTRODUCTION 3 2. LE « FRONT END RF» DES TELEPHONES PORT ABLES 3 2.1. La section IF 5 2.2. La section RF 5

DEUXIEME PARTIE 6

PRISE EN MAIN DU LOGICIEL « COMSIS » 6 1. INTRODUCTION 6 2. LA SAISIE DE SCHEMA 6 2.1. Introduction 7 2.2. Saisir un schéma 8 2.3. Editer les paramètres d’un modèle 9 3. LA SIMULATION 9 3.1. Mise en garde 9 3.2. Analyse temporelle 10 3.3. Visualisation des résultats 12 4. ETUDE D’UN FILTRE BLU OU SSL 13 5. ETUDE DE LA SECTION RF 15 5.1. L’amplificateur de puissance. 15 5.2. L’amplificateur Faible Bruit. 16

TROISIEME PARTIE 17

MISE EN OEUVRE 17 6. ETUDE DU FILTRE DEPHASEUR I/Q 17 7. REALISATION DU MODULATEUR SSL. 17

Première partie. Etude théorique


3

Première partie Etude théorique

1. INTRODUCTION

Le but de ce TP est d’étudier une chaîne de communication « analogique » typique. Nous prendrons l’exemple des communications avec les téléphones mobiles (GSM900 ou DCS1800). En effet, bien que la communication soit dite « numérique » pour les téléphones portables, le support de transmission n’en reste pas moins une onde électromagnétique et donc une grandeur physique caractérisée et régie par des lois « analogiques ». Le dernier étage de la chaîne de communication, encore appelé « Front End RF » en anglais reste un étage de modulation dite « analogique ». Ce « Front End » est quasiment présent dans toutes chaînes de communications (analogiques ou numériques) basées sur le principe de l’hétérodynage (c.f. questions).

2. LE « FRONT END RF» DES TELEPHONES PORTABLES

Afin de définir les différents éléments caractéristiques de la chaîne de communication analogique et d’en étudier leurs caractéristiques, rappeler ce qu’est l’hétérodynage. Comment cela fonctionne t’il ?

Question 1. Rappeler ce qu’est l’hétérodynage et en quoi il consiste. Pourquoi utiliser une telle

architecture dans une chaîne de communications (avantages) ? Nous donnons sur la page suivante un schéma synoptique d’un « Front End RF ». Celui-ci

comprend deux principaux étages : la section IF et la section RF. Nous avons regroupé dans le tableau suivant différentes fonctions (terme anglais) qui constituent la chaîne de transmission.

Section Abréviation Signification Fonction

PA BPF LNA LO RF to IF IF to RF

RF

DUP QM QD LF I

IF

Q

Question 2. Compléter le tableau ci-dessus en donnant la signification des abréviations et la fonction remplie par l’élément désigné.

. Etude théorique

BB B

4

RF Front End for Mobile phone

Reference oscillator TCXO

ϕ

CP LF

/R /M ϕ

CP LF

/R /M

0 90 Σ /2

LF

/R /M ϕ

CP

0 90 Σ /2

Tank

Tank Tank Tank

Q Out

I Out

To Baseband processing

Q In

I In

From Baseband processing

RF

Sec

tio

n

IF S

ection

QD

QM

RF to IF

IF to RF

LNA

PA

LO

DUP

Antenna BPF

BPF BPF

BPF

. Etude théorique


5

Maintenant que les différents éléments constitutifs de la chaîne de communication ont été identifiés, nous allons les étudier plus en détails.

2.1. La section IF

On trouve dans cette section deux ensembles identiques composés : d’un déphaseur, de deux multiplieurs et d’un additionneur.

Question 3. Quelle est la fonction réalisée par cet ensemble ? Expliquer sont fonctionnement.

Le signal d’entrée sur le déphaseur est lui aussi issu d’un autre ensemble de fonctions

élémentaires qui forme un synthétiseur de fréquence.

Question 4. Pour simplifier l’application, nous nous placerons dans le cadre de la réception hertzienne de type modulation de fréquence (bande [88.7 ; 108.7MHz]). Quel est le rôle de ce synthétiseur de fréquence?

Au vus de l’ensemble de cette section et de ses différentes fonctionnalités, définir si la réception

est de type homodyne ou hétérodyne .

2.2. La section RF

Les dispositifs de communications ne comprenant qu’une antenne (partagée entre l’émission et la réception) sont dits à « architecture monostatique » (l’architecture est dite « bistatique » lorsqu’il existe une antenne pour la réception et une antenne pour l’émission).

Question 5. Quels moyens (protocoles, types de modulation, etc…) faut-il mettre en œuvre pour

garder, dans une architecture monostatique, une communication bidirectionnelle de type Full-duplex ?

On trouve en amont du composant DUP dans la chaîne de transmission, un filtre « BPF » et en aval de ce dernier, dans la chaîne de réception, un autre filtre « BPF ».

Question 6. Ces deux filtres sont-ils identiques ? Si non, quels sont leurs rôles respectifs ?

Deuxième partie. Prise en main du logiciel « COMSIS »


6

Deuxième partie Prise en main du logiciel « COMSIS »

1. INTRODUCTION

Le but de cette partie est de familiariser l’utilisateur avec un logiciel de communication numérique dans le cadre d’une chaîne de communication analogique de type GSM900 ou DCS1800. Le logiciel employé est « COMSIS », conçu développé et commercialisé par la société IPSIS.

2. LA SAISIE DE SCHEMA

Lancer l’application au moyen de l’icône « COMSIS », l’interface suivante apparaît. Ouvrir une feuille de travail vierge au moyen du menu Fichier et de l’option Nouveau.

Figure 1. La fenêtre d’accueil

La fenêtre est divisée en quatre parties : le menu (classique...), la zone d’information, la boîte à

outils générale et la zone de dessin.



7

Figure 2. La zone d’information et la boîte à outils

La zone d’information contient les informations générales se rapportant au système en cours de

description : le nom et le type du système ainsi que le nom du fichier schéma. Son usage est associé à celui des fenêtres de sélection des modèles. La boîte à outils contient les commandes et les informations générales se rapportant à la construction d’un schéma-bloc :

• pointeur-flèche pour la sélection, la dessélection et le déplacement des objets, • indicateur du modèle courant pour la construction, • sélecteur du nombre d’entrées d’un modèle, • sélecteur de l’orientation d’un modèle, • boutons des liaisons (connexions et variables intermédiaires), • boutons des sorties. Et enfin la zone de dessin correspond à la partie visible de la feuille de dessin. La feuille de

dessin délimite la surface de tracé du système en cours de description. Les taux d’agrandissement ou de réduction ainsi que la position de la zone de dessin sur la feuille de dessin sont respectivement contrôlés par les commandes de zoom et les barres de défilement.

2.1. Introduction

La construction d’un schéma-bloc avec COMSIS s’effectue selon le principe général qui consiste à poser des objets sur une feuille de dessin quadrillée (grille) à l’aide de la souris. L’objet sélectionné est automatiquement centré sur la case de la grille correspondante, ce qui permet de construire rapidement un schéma sans avoir à se préoccuper de l’alignement fin des objets. Le tracé se fait suivant le magnétisme de la grille associée à la feuille de dessin.

Outre la mise en place et l’effacement d’objets sur la feuille de dessin, l’éditeur de schéma-bloc

de COMSIS offre les fonctionnalités classiques suivantes : • sélection à l’aide de la souris d’un ou plusieurs objets disposés sur la feuille. Elle s’effectue

par étirement d’un rectangle de sélection et/ou par sélections successives des éléments. • déplacement des objets sélectionnés en les faisant glisser à l’aide de la souris, • nommage des objets, • définition des paramètres caractéristiques des opérateurs et entrées, • gestion d’un presse-papiers permettant de copier, couper et coller les éléments sélectionnés, • possibilité d’agrandir ou de réduire la feuille de dessin, • possibilité de faire des zooms avant et arrière sur la feuille de dessin, • sauvegarde et lecture d’un schéma-bloc dans un fichier, • impression d’un schéma-bloc au format PostScript, • accès aux commandes d’analyse, de simulation et d’affichage des résultats.

L’éditeur de COMSIS permet de décrire un système sous forme de schéma-bloc à partir d’objets

(entrées, opérateurs, connexions...) qui sont manipulés à l’aide de la souris. Le curseur associé à la souris prend une forme qui dépend du contexte de travail. Par défaut, il s’agit d’une flèche orientée vers le haut gauche de l’écran. Le tableau qui suit fournit la liste des représentations utilisées ainsi que la signification correspondante.

Pointeur Signification

flèche : Sélection standard (sélection d’un ou plusieurs éléments du schéma-bloc directement ou par étirement d’un rectangle élastique).

croisillon : Pose de connexions entre les opérateurs du schéma-bloc.

main : Activation d’un bouton graphique (orientation, modèles, connexion…).



8

crayon : Saisie au clavier dans la fenêtre alphanumérique.

loupe : Saisie d’un rectangle élastique pour la réalisation d’un zoom avant.

2.2. Saisir un schéma

Afin de prendre en main le logiciel et son interface, on réalisera dans un premier temps le modulateur « Single Side Lobe » (SSL) ou modulateur Bande Latérale Unique (BLU) suivant :

I

Q

Modulateur SSL

M

M

R

port

Spp Spm

MI

MQ

R1

Figure 3. Le Modulateur Single Side Lobe

Pour entrer ce schéma dans COMSIS il est nécessaire de charger les bibliothèques de modèles

correspondant aux opérateurs classiques (multiplieur, retard), sommateurs et aux signaux d’entrées. Pour cela dans le menu Modeles, choisissez l’option Operateurs classiques..., Sommateurs... ou bien Entrees... La fenêtre de la bibliothèque correspondante s’ouvre, il vous suffit alors de cliquer sur la fonction désirée pour placer le symbole du modèle sur la feuille de dessin. Si vous souhaitez faire pivoter ou tourner un symbole sur la feuille de dessin, utiliser les flèches d’orientations ×ØÙÚ de la barre d’outils lorsque vous êtes en mode de placement des modèles avant de l’avoir sélectionné.

Les options copier, coller du menu Edition vous permettent de dupliquer n’importe quel symbole ou groupe de symboles de la feuille de dessin. Pour placer une sortie sur la feuille, utilisez le bouton sortie de la barre d’outils.

Lorsque tous les symboles sont placés sur la feuille de dessin, il faut les connecter et les

nommer. Pour connecter les symboles entre eux, utilisez la barre d’outils et le bouton de liaison pour réaliser les connections entres les différents symboles. Afin de nommer les différents modèles constitutifs du schéma, cliquez juste au dessus de ces derniers et saisissez un nom de quatre lettres maximum puis tapez sur la touche enter. Les variables intermédiaires, telles que les sorties des additionneurs ou des retards doivent être nommées pour un déroulement correct de la simulation. Pour cela utilisez le bouton à droite du bouton de liaison dans la boîte à outils et placez le symbole sur le fil à nommer.



9

Pensez à sauvegarder votre travail au moyen du menu Fichier, enregistrer sous... dans le répertoire Comsis/Tp/Communications Analogiques sans oublier l’extension du fichier (.sch).

2.3. Editer les paramètres d’un modèle

Pour éditer les paramètres d’un modèle il suffit de double cliquer sur ce dernier pour que la fenêtre de paramétrage s’affiche :

Figure 4. La fenêtre de paramétrage des modèles (bascule D)

Cette fenêtre permet de spécifier les différents paramètres d’un modèle. Ici dans le cas de la

source sinusoïdale il existe trois paramètres : la fréquence, son amplitude et sa phase initiale. Pour les modèles plus complexes (modulateurs, démodulateurs, etc.) le nombre de paramètres à saisir peut être plus important.

Paramètrez les différents éléments du schéma avec les valeurs suivantes :

• Source Sinus I, fréquence à 1MHz, amplitude 1 et phase initial à 0. • Source Sinus Q, fréquence à 1MHz, amplitude 1. Définir la phase initiale au moyen

d’un paramètre de simulation (a par exemple.). La valeur de ce paramètre vous sera demandée lors de la simulation.

• La porteuse sera prise à une fréquence de 10MHz, une amplitude de 1 et une phase initiale nulle.

• Entrer pour le retard continu R un retard permettant d’obtenir un déphasage de 90° entre son entrée et sa sortie. Une fois encore, lorsque vous avez terminé pensez à enregistrer votre travail.

Question 7. Quel est la valeur du retard à mettre dans R pour obtenir une sortie R1 en quadrature avec l’entrée ?

3. LA SIMULATION

3.1. Mise en garde

Tout utilisateur de logiciel de simulation doit être très prudent quant à l’utilisation et l’exploitation des résultats, car l’utilisation de modèles aussi proches soient-ils du comportement physique des composants est soumise à des hypothèses ou des approximations vérifiées uniquement sous certaines conditions. Il est donc nécessaire de connaître avant simulation :



10

• les domaines de validité des modèles, • leurs degrés de vraisemblance avec le comportement physique, • et enfin, avoir une idée à priori du résultat escompté, afin d’éliminer toutes simulations

aberrantes

3.2. Analyse temporelle

Dans le menu Analyse choisissez l’option simulation temporelle. La fenêtre « Mode alphanumérique » apparaît (voir figure suivante), elle permet à l’utilisateur de rentrer les différents paramètres nécessaires au bon déroulement de la simulation (variables de sorties, pas de calcul, nombre de points à calculer, etc.).

La simulation temporelle commence par une vérification de la feuille de schéma. Corriger les

erreurs éventuelles signalées par COMSIS.

Figure 5. Le fenêtre de « Mode alphanumérique »

Les questions posées à l’utilisateur comportent toujours une réponse par défaut fournie par le

simulateur. Cette réponse par défaut est signalisée entre crochets [], taper directement sur enter pour accepter la valeur par défaut.

Dans le cas de notre modulateur SSL les questions suivantes sont posées à l’utilisateur :

• Variable(s) de sortie pour la simulation : Ici deux valeurs : Spp,Spm. • La valeur des paramètres définis dans les modèles (ici il n’y a que la phase initiale de Q : a).

Entrer pour cette valeur a=1.57079 (π/2). • Interpolation des retards : répondre la valeur par défaut [non] tapant directement sur enter. • Modification du pas de calcul : valeur par défaut [non]. • Nombres de points de calcul : en fonction du pas proposé par le simulateur (et du nombre de

points par période du signal « port »), Choisir dix fois plus de points que celui indiqué par le logiciel pour les voies I ou Q.

Question 8. Calculer le nombre de points de calcul pour visualiser au moins dix périodes entières des signaux I et Q.

• Variable(s) à sauvegarder : en général, sauvegarder toutes les variables utilisées dans la schématique.

La simulation peut alors débuter. Une fenêtre intitulée « Evaluation des performances » s’affiche avec les différents types de sorties ou de visualisations possibles.



11

Figure 6. Fenêtre d’évaluations des performances

Nous nous intéresserons, pour l’instant, qu’à l’option Visualisation Globale. La fenêtre

« Variables et Pré-traitement à visualiser » apparaît.

Figure 7. Fenêtre du choix des visualisations

Cette fenêtre est divisée en trois parties : les pré-traitements (ou encore le type de la

visualisation), les variables accessibles aux pré-traitements (n’apparaissent que celles qui ont été préalablement sauvegardées lors de la saisie en mode alphanumérique) et une partie où sont affichés les traitements à réaliser et les variables auxquelles ils se rapportent (par exemple : DSP(spp)).



12

Nous allons visualiser dans un premier temps, la représentation temporelle pour les signaux d’entrée (I, Q et port), le signal R1 de sortie du retard et les signaux de sortie Spp et Spm.

Question 9. Visualiser les signaux, vérifier que les voies I et Q sont en quadrature, ainsi que port et

R1. Visualiser les représentations fréquentielles de Port, Spp et Spm par l’intermédiaire d’une FFT

sur ces deux signaux. Fermer tout d’abord la fenêtre des résultats graphiques (figure 8) en cliquant sur le bouton « FIN ». La fenêtre de dialogue évaluation des performances s’affiche à nouveau. Cliquer à nouveau sur « visualisation globale », puis cocher la fonction Transformée de Fourier et cliquer sur Spp puis Spm.

Le mode alphanumérique rend la main afin que l’utilisateur rentre les paramètres des

traitements : • Pour la FFT(Port, Spp et Spm) : Visualisez le module et la phase en répondant [M]

(valeur définie par défaut).

Question 10. En agrandissant les spectres obtenus, que constatez-vous (différence entre les voies Port, Spm et Spp, etc…) ? Est-ce en accord avec ce que vous attendiez, expliquer ? Ré-itérer l’opération avec une valeur de déphasage entre I et Q différente (entre 1.2 et 1.5 par exemple), que remarquez vous ? Conclure sur la fonction réalisée par le modulateur SSL.

3.3. Visualisation des résultats

Les résultats des pré-traitements précédents sont affichés dans la fenêtre graphique représentée sur la figure suivante. Remarque :La figure suivante ne correspond pas aux résultats que vous devriez avoir.

Figure 8. Fenêtre des résultats graphiques.



13

La portion de droite contient différents boutons permettant de visualiser les résultats en mode

bande (comme représenté sur la figure précédente) ou en mode cadran (mode par défaut), d’effectuer des zooms sur une courbe particulière (pour cela sélectionner le cadre ou la courbe au moyen des boutons choix cadre ou choix courbe puis faire OK et utiliser l’option de zoom apparaissant après le choix dans le menu de droite). Pour visualiser les autres courbes cliquer sur le bouton suite ou trace initiale pour revenir sur les premières courbes. On pourra se reporter sur l’aide de COMSIS pour de plus amples informations sur la visualisation des résultats graphiques. Il existe un certain nombre d’autres fonctionnalités permettant l’exploitation des résultats. Par exemple vous pouvez afficher une grille ou un curseur (bouton grille ou curseur), mais aussi superposer deux courbes l’une sur l’autre grâce au bouton « choix Courbe ». Cliquer alors sur les courbes que vous voulez voir superposées, puis valider votre choix en cliquant sur OK. Le bouton « Trace Initiale » permet alors de revenir à la configuration précédente.

On ne s’intéressera maintenant qu’à la sortie Spp (la sortie Spm peut-être supprimée du

schéma). Afin de répondre à la question 12 suivante, visualiser la Densité Spectrale de Puissance (DSP) des signaux Port et Spp. Mettre fin aux résultats graphiques en cours et recommencer l’opération précédente en cochant la fonction DSP. Le mode Alphanumérique s’ouvre alors pour vous demander :

• Dans le cas d’une DSP(xxx) : Rentrer la période de la variable (port) en nombre de points de calcul (dépendant du pas de calcul ou du nombre de points par période d’horloge). Pour le signal Spp, ou lorsque vous ne connaissez pas la période d’un signal (à priori périodique, rentrer le nombre de points de calcul).

Visualiser les DSP des signaux Port et Spp en effectuant un « Zoom » sur les fréquences

positives. Recommencer l’opération (DSP) en effectuant une itération sur le paramètre a (déphasage entre

les voies I et Q), prendre par exemple la nouvelle valeur : a = 1.0

Question 11. Que remarquez-vous ? Afin de déterminer une des caractéristiques essentielles d’un modulateur SSL, effectuer une

simulation paramétrée sur la valeur de a :

• Mettre fin aux résultats graphiques. • Lancer une itération sur le paramètre a en cliquant sur le bouton « itération » de la fenêtre

(figure 6) d’évaluation des performances. •Lors de la définition des paramètres formels dans la fenêtre alphanumérique, faire

varier la valeur du déphasage a de 1.0 à 1.55 par pas de 0.05 radians. Pour cela entrer 1.0:1.55:0.05

Question 12. En considérant que la valeur du retard sur le signal port est idéale, quelle précision sur

la valeur du déphasage (a) entre les voies I et Q doit-on vérifier pour obtenir une suppression du lobe inférieur ≥ –30 dB ?

4. ETUDE D’UN FILTRE BLU OU SSL

Afin de comparer les performances d’un modulateur SSL ou BLU avec la solution du filtrage BLU ou SSL, nous allons déterminer l’ordre du filtre nécessaire à l’obtention de cette suppression de lobe inférieur de – 30dB.



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Am

plit

ud

e (

dB)

a1

a2

f2 f3

Ripple

f4

f1

Filtre passe bande Occupation spectrale des signaux I et Q

FréquencesFréquences100KHz

f1

1MHz

A

Figure 9. Gabarit des signaux I et Q et Gabarit d’un filtre passe bande.

On rappelle que le signal Port (la porteuse) est à 10MHz et que les signaux I et Q occupent une

largeur de bande de 1MHz (il ne présente pas de composantes spectrales en dessous de 100KHz). Sélectionner un filtre passe bande continu dans la liste des modèles de filtres. Placer le modèle n’importe où sur le schéma, celui-ci ne sera pas utilisé pour la simulation. Double cliquer sur le modèle afin d’accéder à ses paramètres (figure 10). Entrer alors le gabarit du filtre (figure 9) de la façon suivante :

• La fréquence basse de la bande atténuée du filtre (f1), • la fréquence de coupure basse du filtre (f2), • la fréquence de coupure haute du filtre (f3), • et la fréquence haute de la bande atténuée du filtre (f4). • Puis les atténuations dans la bande passante (a1) et dans la bande atténuée (a2). On se

fixera une atténuation maximale dans la bande passante de 3dB.

Figure 10. Fenêtre des paramètres d’un filtre.



15

Synthétiser le filtre. Plusieurs types de réponse vous sont proposés (Butterworth, Tchebycheff, Cauer, etc…).

Question 13. Relever les ordres des filtres nécessaires pour obtenir les 30dB de réjection sur le lobe

inférieur. En pratique, on choisit le filtre d’ordre le plus faible. Quel type d’implémentation doit on choisir ? Comparer les performances du modulateur SSL et du filtre équivalent. Conclure quant aux avantages d’une solution à modulateur SSL.

Faire la troisième partie avant d’entamer les questions suivantes.

5. ETUDE DE LA SECTION RF

Dans la section RF on notera la présence de deux modulateurs d’amplitude (un modulateur dans la partie transmission et un démodulateur dans la partie réception), chacun d’eux étant suivi ou précédé d’un élément d’amplification (le PA et le LNA).

5.1. L’amplificateur de puissance.

Nous allons étudier l’influence de l’amplificateur de puissance sur une modulation d’amplitude (analogique ou bien numérique). L’étude fréquentielle sera faite au cours du TP sur l’amplification hyperfréquence. Afin de rendre les résultats plus « parlants », nous choisirons une chaîne de modulation d’amplitude numérique : la QAM (Quadrature Amplitude Modulation) suivante. Le fichier se trouve dans le répertoire samples du dossier Program Files\IPSIS\COMSIS8\ sous le non ex12.sch. Charger ce fichier.

QAM

SBPE AMAMQAM Samp

Sm

Figure 11. La Modélisation de la chaîne de modulation en amplitude numérique. Toute la section IF précédente est symbolisée par le modulateur QAM à 16 états, de porteuse

5GHz et de puissance paramétrée Ps prenant les trois valeurs 5, 10 et 15 dBm. L’amplificateur de puissance est modélisé par une non linéarité AMAM. La séquence pseudo-aléatoire SBPE aura un débit de 0.1Mbps et une longueur de registre égale à 4.

En lançant l’analyse statique au moyen du menu Analyse et de l’option Analyse

Statique…, visualiser la réponse en puissance de l’amplificateur AMAM : Pout(dBm)=f(P in(dBm)).

Question 14. Quelle est la valeur du gain de l’amplificateur ? Déterminer la valeur de la puissance d’entrée pour laquelle la puissance de sortie varie d’au moins 1 dB par rapport à la zone linéaire.

Afin de voir l’influence de ce paramètre sur les performances du système, effectuer une analyse

temporelle du schéma. On visualisera les diagrammes d’états ou diagrammes de constellation

(correspondant aux différents états d’amplitude et de phase pris par les symboles émis) et les trajectoires (chemin empreinté par le modulateur pour passer d’un symbole à l’autre) pour les signaux en sortie du modulateur et de l’amplificateur de puissance.



16

Vous devriez obtenir les résultats de la figure suivante.

16/08/0117:49:42

AAIN.TMPAAIM.TMPCOMSIS RESULTATS DE SIMULATION

-15 -5 5 15-15

-10

-5

0

5

10

15

Fr : .5E+04 MHz C(Samp_p)

C(Samp_q)

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Fr : .5E+04 MHz C(Sm_p)

C(Sm_q)

-15 -5 5 15-15

-10

-5

0

5

10

15

Fr : .5E+04 MHz Samp_p

Samp_q

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Fr : .5E+04 MHz Sm_p

Sm_q

Figure 12. Diagramme de constellation et des trajectoires pour une QAM-16.

Question 15. Qu’observez-vous ? En quoi cela peut-il poser des problèmes au niveau de la réception ?

Que faudrait-il modifier au niveau de la modulation pour s’affranchir de ce problème (on ne n’intéresse pas ici aux distorsions fréquentielles) ?

5.2. L’amplificateur Faible Bruit.

Afin d’étudier la meilleure solution pour le positionnement de l’amplificateur faible bruit, on propose deux chaînes de réception, figure 13.

Filtre

Mélangeur LNA

F=1.5dB G=10dB

Tb=864°K G=3dB

Att=3dB

Filtre

Mélangeur LNA

F=1.5dB G=10dB

Tb=864°K G=3dB

Att=3dB

Choix 1 Choix 2

Figure 13. L’amplificateur faible bruit dans la chaîne de réception (Choix 1 et 2).

Question 16. Calculer le Facteur de bruit global de la chaîne de réception dans les deux cas précédents. Justifier la solution retenue dans le « Front End RF » de la page 4.

Troisième partie. Mise en oeuvre


17

Troisième partie Mise en oeuvre

Dans cette partie nous allons étudier sur la maquette Modulation/Démodulation d’amplitude les performances et contraintes d’un modulateur SSL.

6. ETUDE DU FILTRE DEPHASEUR I/Q

Lorsque l’on cherche à utiliser un modulateur SSL ou BLU dans une chaîne de communication mettant en œuvre une modulation linéaire, on ne dispose pas « naturellement » des signaux en quadrature (voie I et Q). Il est alors nécessaire de réaliser un filtre déphaseur (ou filtre de Hilbert) capable de fournir le signal en phase et en quadrature.

La maquette de TP Modulation d’amplitude de deuxième année est pourvue de ce filtre, que

nous allons caractériser, au moyen des appareils de mesures fournis (oscilloscope et générateur BF).

Question 17. Relever les variations de la phase différentielle entre les voies I et Q en sortie du filtre déphaseur dans la plage de fréquence [ 0 ;10KHz]. Dans quelle plage de fréquences pourra t’on utiliser correctement ce déphaseur ? (aidez-vous des résultats obtenus dans les simulations)

7. REALISATION DU MODULATEUR SSL.

Grâce aux différents éléments de la maquette, réaliser le modulateur SSL de la figure 3. Le retard T sera remplacé (en interne de la maquette) par un circuit déphaseur (90°) pour fournir les voies I et Q sur la porteuse. L’amplificateur de la maquette (sommateur ou soustracteur) permettra de sélectionner soit le lobe inférieur soit le lobe supérieur. Placez-vous dans la configuration qui donne le meilleur résultat.

Question 18. Après avoir déterminé les caractéristiques de la porteuse, relever les spectres obtenus en

sortie du modulateur SSL. Correspondent-ils aux simulations précédentes ? Quelle est la valeur de la réjection sur le lobe (inférieur ou supérieur) ?

Question 19. Rappeler ce qu’est l’enveloppe complexe et faire le rapprochement avec le

fonctionnement du modulateur SSL et le mode de fonctionnement d’un logiciel de communication numérique tel que COMSIS.

En effet, la plupart des logiciels de communications numériques utilisent la modélisation en

enveloppe complexe.

Question 20. En guise de conclusion, pouvez-vous expliquer pourquoi utiliser la modélisation en enveloppe complexe pour la simulation de système de communication numérique ?

ESME Sudria Département Signal et Télécommunication Année scolaire 2007-2008


TP07 : Simulation Logique VHDL



Vous allez étudier un minuteur programmable affichant les minutes et les secondes. Pour cela vous allez devoir modéliser en langage VHDL un système ayant le schéma bloc suivant :

- Composant HORLOGE: Le composant OSCILLATEUR fabrique une horloge de période 1 seconde à partir d’un oscillateur à quartz de fréquence 32 768 Hz. - Composant COMPTEUR Minute et Seconde: Ce composant élabore à partir de son entrée d’horloge la génération des secondes et minutes.

• Un appui sur le bouton des minutes incrémente la valeur des minutes. • Un appui sur le bouton des secondes incrémente la valeur des secondes. • Le démarrage et l’arrêt du compteur s’effectuent à l’aide du bouton Start/Stop. • Le compteur décompte la valeur affichée jusqu’à 0 puis s’arrête et émet 3 bips

sonores. • La remise à zéro s’effectue par appui simultané sur les boutons

d’incrémentation des minutes et secondes. - Composant AFFICHEUR: Le composant AFFICHEUR est un driver d’afficheur de 4 chiffres de sept segments chacun. Les afficheurs 7 segments sont de type anode commune. Travail préparatoire : Vous devez rédiger l’ensemble des programmes demandés avant la séance de travaux pratiques. Ce travail sera vérifié en début de séance.

OSCILLATEUR

32768 Hz

HORLOGE

1 seconde

COMPTEUR

Minutes

Secondes

DRIVERS

7 Segments

Bouton

Incrément

minute

OSCILLATEUR

32768 Hz

OSCILLATEUR

32768 Hz

HORLOGE

1 seconde

HORLOGE

1 seconde

COMPTEUR

Minutes

Secondes

COMPTEUR

Minutes

Secondes

DRIVERS

7 Segments

DRIVERS

7 Segments

Bouton

Start/Stop

Bouton

Incrément

minute

Bouton

Incrément

seconde

Bouton

Incrément

seconde

Buzzer

OSCILLATEUR

32768 Hz

OSCILLATEUR

32768 Hz

HORLOGE

1 seconde

HORLOGE

1 seconde

COMPTEUR

Minutes

Secondes

COMPTEUR

Minutes

Secondes

DRIVERS

7 Segments

DRIVERS

7 Segments

Bouton

Incrément

minute

OSCILLATEUR

32768 Hz

OSCILLATEUR

32768 Hz

HORLOGE

1 seconde

HORLOGE

1 seconde

COMPTEUR

Minutes

Secondes

COMPTEUR

Minutes

Secondes

DRIVERS

7 Segments

DRIVERS

7 Segments

Bouton

Start/Stop

Bouton

Start/Stop

Bouton

Incrément

minute

Bouton

Incrément

seconde

Bouton

Incrément

seconde

Bouton

Incrément

seconde

Bouton

Incrément

seconde

BuzzerBuzzer



Travaux Pratiques:

a- Créez un fichier horloge.vhd qui permet d’obtenir la seconde à partir d’un oscillateur à

quartz de fréquence 32 768 Hz et simulez-le. b- Créez le fichier Compteur.vhd qui fournit les secondes et minutes et simulez-le. ( On veut pouvoir compter jusqu’à 99 minutes et 59 secondes )

c- Modifiez votre programme de comptage des minutes et secondes pour que le bouton Start/Stop soit actif.

d- Créez une description structurelle des blocs Horloge.vhd et Compteur.vhd et

simulez-les.

e- Créez le fichier Afficheur.vhd sous forme d’une machine d’état qui gère l’affichage multiplexé des quatre boîtiers 7 segments et simulez-le. Pour cela vous devez écrire une fonction de conversion BCD/7 segments et l’utiliser dans votre programme.

Rédigez un compte rendu complet de ce TP en fournissant notamment un organigramme et un schéma bloc fonctionnel pour chacun des programmes réalisés.

ESME Sudria Département Signal et Télécommunication Année Scolaire 2007/2008


TP08 : Synthèse logique VHDL



Ce dernier T.P. se déroule avec l’aide du logiciel SYNARIO et du fitter isPLSI de la société LATTICE. Le but est d’étudier la phase finale de mise au point de composants de logique programmable et d’en effectuer les tests. La carte électronique est constituée de deux CPLD Lattice de la famille ispMACH4. L’ensemble de l’application écrite en VHDL ne peut être intégré dans un seul composant CPLD. Il est donc nécessaire de répartir le code entre ces deux composants en respectant les différentes entrées-sorties.

- EPLD n°1 ( M4A5-64/32 ): contient l’horloge, la partie génération des secondes, minutes et usage des boutons.

- EPLD n°2 ( M4A5-32/32 ) : contient la commande du buzzer, le driver d’affichage et l’interface de liaison avec l’Epld n°1.

I- Travail préparatoire. Les composants utilisés sont un M4A5-32/32 et un M4A5-64/32 de la famille ispMACH4 de la société LATTICE. Effectuez une description détaillée de leurs structures. Quels types d’opérations peuvent-ils supporter ? II- Etude pratique. Comme tous composants complexes, il importe de procéder avec méthode à la mise en œuvre de ceux-ci. En reprenant les fichiers que vous avez crées lors du TP précédent effectuez les opérations suivantes :

OSCILLATEUR

32768 Hz

COMPTEUR

Minutes

Secondes

HORLOGE

1 seconde

Buzzer

Machine

d’Etats

DRIVERS

7 segments

EPLD n°1 EPLD n°2

Bouton

Incrément

Minute

Bouton

Incrément

Seconde

Bouton

Start/Stop Buzzer

OSCILLATEUR

32768 Hz

COMPTEUR

Minutes

Secondes

HORLOGE

1 seconde

OSCILLATEUR

32768 Hz

OSCILLATEUR

32768 Hz

COMPTEUR

Minutes

Secondes

HORLOGE

1 seconde

HORLOGE

1 seconde

Buzzer

Machine

d’Etats

DRIVERS

7 segments

BuzzerBuzzer

Machine

d’Etats

DRIVERS

7 segments

Machine

d’Etats

Machine

d’Etats

DRIVERS

7 segments

DRIVERS

7 segments

EPLD n°1 EPLD n°2

Bouton

Incrément

Minute

Bouton

Incrément

Seconde

Bouton

Start/Stop BuzzerBouton

Incrément

Minute

Bouton

Incrément

Seconde

Bouton

Start/Stop Buzzer



I-a Synthèse logique EPLD n°1 (M4A5-64/32)

- simuler un programme qui fournit une horloge de période 1 seconde à partir de l’oscillateur de fréquence 32 768 Hz.

- Synthétiser ce programme avec l’option AREA dans le composant M4A5-64/32 avec un signal CLK connecté à la broche n°11, la sortie CLKOUT connecté à la broche 37 ( REFRESH) et le signal RAZ à la broche n°7 du bouton des minutes.

- Commenter le rapport de synthèse obtenu. I-b Effectuer une post simulation temporelle de la synthèse obtenue à la question précédente et commenter les résultats obtenus. I-c Re effectuer la synthèse avec l’option SPEED, comparer et commenter le résultat obtenu avec celui de la question précédente. I-d Effectuer le chargement du programme dans l’EPLD n°1. Vérifier la présence de l’horloge 1S sur la broche de test REFRESH. II-a Ecrire et simuler un programme qui affiche les chiffres de 0 à 9 ( période ½ s) sur le digit des secondes en émettant un bip à chaque nouvelle valeur ( l’horloge d’entrée est le signal REFRESH obtenue dans le programme précédent. II-b Effectuer la synthèse puis le chargement de ce programme dans l’EPLD n°2. Rédigez un compte rendu complet de ce TP.



Annexe :

d a t a ( 3 )

d a t a ( 2 )

da ta (1 )d a t a ( 0 )

an(0)

an(1)

an(2)

an(3)

an(3)

an(2)

an(1)

an(0)

data(3)

data(2)

data(1)

data(0)

a b c d e f g dp

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