Rapport perseus telecom

59
- 1 - Seddik AMARA Florent MORLAT Sofiane YOUSFI Définition de la chaîne de transmission des télémétries d’un lanceur spatial pendant la phase de lancement - Projet d’études 3 ème Année VA RCM 2006-2007

description

report on nano launcher

Transcript of Rapport perseus telecom

Page 1: Rapport perseus telecom

- 1 -

Seddik AMARA Florent MORLAT Sofiane YOUSFI

Définition de la chaîne de transmission des télémétries

d’un lanceur spatial pendant la phase de lancement

- Projet d’études 3ème Année

VA RCM 2006-2007

Page 2: Rapport perseus telecom

- 2 -

Remerciements

Nous tenons à remercier nos tuteurs de projet M. Didier MEIER, Responsable de la VA RCM ainsi que M. Xavier LE POLOZEC, Responsable Produits Radio Infrastructure Mobile chez Ericsson pour nous avoir guidé et fourni de nombreuses documentations techniques. Nous tenons de plus à remercier plus particulièrement M. Gérard AUVRAY, Ingénieur chez Alcatel-Lucent et responsable du sujet de ce projet ainsi que M. Fabien AMOUROUX, responsable du projet PERSEUS pour nous avoir confié ce projet.

Enfin, nous tenons à remercier M. Bruno REMY, Directeur Technique chez Agenium Solutions pour toute l’aide qu’ils nous ont apportée dans l’utilisation du logiciel STK.

Page 3: Rapport perseus telecom

- 3 -

SOMMAIRE 1 – Introduction ..................................................................................................... 4

A. Présentation du projet ESIGETEL de 3ième année ........................................ 4 B. Présentation du projet PERSEUS ................................................................. 5 C. Présentation de notre projet........................................................................... 9

2/ Description de l’environnement et des outils utilisés : ...................................11

A. Satellite Tool Kit :.......................................................................................11 B. Matlab – Simulink :.....................................................................................13

3/ Chaîne de transmission ...................................................................................14

A. Définitions...................................................................................................14 B. Etat de l’art ..................................................................................................15 C. Bilan de liaison............................................................................................22

4 - Simulation de la Chaîne de transmission.......................................................30

A. Choix du canal ............................................................................................30 B. Choix des modulations...............................................................................31 C. Simulation ...................................................................................................37 D. Optimisation................................................................................................43

5. Conlusion.........................................................................................................54 6. Glossaire..........................................................................................................55 7. Bibliographie...................................................................................................56 8. Annexes ...........................................................................................................57

Page 4: Rapport perseus telecom

- 4 -

1 – Introduction

A. Présentation du projet ESIGETEL de 3ième année

Lors de la troisième et dernière année de notre cursus à l’ESIGETEL, nous avons eu à réaliser un projet. Ce projet a tenu une place prépondérante toute au long de l’année scolaire et a marqué la fin de celle-ci par une soutenance du projet devant le corps enseignant et éventuellement devant des entreprises invitées. Le projet réalisé sur l’ensemble de l’année nous permettra de mettre en application les différentes connaissances acquises toute au long de notre cycle dans l’école. Le projet est divisé en 3 parties. La première partie concernant une étude bibliographique menée sur environ les 5 premières semaines. Cette étude précèdera une pré-soutenance en anglais. Ensuite les 8 semaines suivantes seront consacrées aux aspects théoriques. Enfin la réalisation technique se consacrera aux 5 dernières semaines.

Page 5: Rapport perseus telecom

- 5 -

B. Présentation du projet PERSEUS

Le projet PERSEUS (Projet Étudiant de Recherche Spatiale Européen Universitaire et Scientifique), initié par le CNES (Centre National des Etudes Spatiales), a été officiellement présenté le 13 juin 2005 à l'occasion du Salon International du Bourget.

L’objectif de ce projet est de développer et de qualifier en vol un système de lancement complet après un développement progressif comportant la qualification des principales technologies : propulsion, structure, avionique, systèmes électriques...

La mission de référence retenue pour les premières études systèmes est la mise en orbite polaire à 250 km d’altitude d’une charge utile de 10 kg. Cette mission sera par la suite affinée en fonction des différentes études sur les nano-satellites.

La particularité principale du projet PERSEUS est son développement. Ainsi les travaux de développement sont confiés exclusivement à des équipes universitaires : étudiants, enseignants, chercheurs. Ainsi ce programme doit favoriser l’émergence de concepts et technologies innovantes.

Page 6: Rapport perseus telecom

- 6 -

Les différents concepts de nano lanceur Il existe actuellement 3 concepts de nano lanceur concernant le projet PERSEUS : le concept NLV-LR et 2 concepts Supaéro.

Le NLV-LR : l’idée à la base est d’évaluer ce qu’il serait possible de réaliser aujourd’hui avec les technologies actuelles sans chercher à apporter d’innovation majeure. On peut noter que le premier étage est modulaire (formé de 5 modules identiques) tandis que le deuxième étage est formé d’un module identique à ceux du premier étage.

Le concept Supaéro 1 : réalisé par des élèves de

Suparéo en 2005, est un tri-étage à propulsion hybride partant du sol. Les hypothèses relativement pessimistes font que le lanceur pèse beaucoup trop lourd…

Le concept Supaéro 2 : réalisé par des élèves de Suparéo en 2006, est un bi-étage aéroporté à propulsion hybride. Les hypothèses, nettement plus optimiste que pour le concept 1, font que le lanceur pèse environ 5 tonnes, ce qui constitue un résultat à la fois raisonnable et intéressant pour de futures études.

Ainsi de ces 3 concepts des premières conclusions ont pu être émises. Premièrement le manque de données sur le sujet rend très difficile la réalisation d’un avant-projet de nano-lanceur avec des hypothèses solides, les seuls nano-lanceurs existants datent de la première ère spatiale et sont donc totalement obsolètes. Le but de PERSEUS étant d’amener des innovations.

Ensuite, un nano-lanceur tri-étage coûterait bien trop cher et des problèmes de fiabilité pourraient survenir.

De fait, une solution pourrait être un nano-lanceur bi-étage avec largage aéroporté avec éventuellement des boosters d’appoint.

Page 7: Rapport perseus telecom

- 7 -

Caractéristiques du lanceur

Géométrie : La géométrie du lanceur doit être très simple car il s’agit de rester dans un cadre très général. Une forme linéaire sera la mieux adaptés mais toutefois difficile à réaliser à cause de la présence des ergols des premier et deuxième étages. Ces ergols entraîneront donc la présence d’une jupe.

Tir sur rampe : Ce critère sera déterminé en fonction de l’accélération initiale engendrée par les boosters. Toutefois le nano lanceur pesant moins de 5 tonnes est une solution fortement envisageable.

Allumage du premier étage : On pourra prévoir d’allumer le premier étage à la fin du vol boosté et non pas au sol comme c’est le cas sur Ariane 5. C’est la solution la plus optimale.

Boosters : Ils seront simplement emboîtés avec le lanceur. De plus la séquence de boost ne sera pas pilotée, le lanceur devra donc être stable durant cette phase.

0

2

4

6

8

10

12

0 0,5 1 1,5 2

Page 8: Rapport perseus telecom

- 8 -

Vitesse en fonction du temps :

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temps (s)

Vit

esse

(m

/s)

Trajectoire en fonction du temps :

Trajectoire du lanceur

-50

0

50

100

150

200

250

300

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Temps en s

Alt

itu

de

en k

m

Page 9: Rapport perseus telecom

- 9 -

C. Présentation de notre projet

Notre projet d’études fait partie intégrante du projet PERSEUS, tout en respectant notre enseignement. Ainsi, notre projet consistera en la définition de la chaîne de transmission des différents éléments de télémétrie durant sa phase de lancement afin de pouvoir simuler son fonctionnement. Il faudra favoriser les systèmes permettant d’avoir une masse et une consommation réduites. Bien évidemment, cette étude sera soumise à différentes contraintes que nous devrons respecter.

Il faudra déterminer ou proposer :

- le type de modulation - un format de trame - le codage de canal envisagé en tenant compte d’un canal de propagation en ligne

directe affecté d’un léger fading de Rice. - Le bilan de liaison - La puissance d’émission - Les caractéristiques de la station sol : gain d’antenne, facteur de bruit…

D’autres éléments pourront rentrer en compte, ils seront déterminés au fur et à mesure

de notre avancée dans le projet.

Quelques pistes sont soumises par le projet et la bibliographie dont nous disposons, mais ce projet démarrant complètement à zéro, il n’est donc pas nécessairement obligatoire de suivre ces pistes. Ainsi, nous pouvons très bien amener nos propres solutions au problème si ces dernières sont justifiées. Nous nous trouvons donc dans un réel cas d’ingénierie.

De plus une réelle méthodologie devra être mise en place afin d’assurer un suivi régulier de notre avancement, ceci dans un souci de clarté et de rigueur. Caractéristiques

La fréquence d’émission de la porteuse est de 2.2GHz. En effet, par convention les fréquences utilisées pour la transmission des télémesures des lanceurs sont situées dans une bande allant de 2200MHz à 2290MHz.

Le débit de transmission est fixé en début d’étude à 100kbit/s. De plus, nous avons également prévu d’étudier un système de transmission prévoyant en option des débits de 500kbits/s et 1Mbits/s.

En ce qui concerne l’antenne de transmission, son gain ne pourra être très important en raison des caractéristiques du lanceur, c’est pourquoi nous l’avons fixé à 3dB. Elle sera de type omnidirectionnel afin de pallier les éventuelles rotations du lanceur.

Page 10: Rapport perseus telecom

- 10 -

Conduite de Projet

Pour mener à bien notre projet nous avons dû mettre en place une certaine méthodologie afin de nous permettre une avancée linéaire tout au long du projet. Dans un premier temps, il nous a fallu nous approprier le sujet. Pour cela, nous avons dû réaliser des recherches bibliographiques pour savoir et comprendre ce qui se réalisait dans le cadre d’une transmission à partir d’un lanceur. Ainsi, dans cette approche nous avons pu consulter les premiers travaux d’élèves de SUPAERO et également la norme CCSDS sur laquelle nous reviendrons plus tard. Modulation

Une fois ces études réalisées, nous nous sommes proposé d’étudier les différentes modulations du signal qui pourraient être retenues dans le cas du lanceur. Ces différentes modulations sont la GMSK, la M-PSK (4 ou 2) ainsi que l’OQPSK. Nous avons donc réalisé une étude comparative de ces différentes modulations avec leurs différentes caractéristiques et performances. Bilan de liaison

Ensuite nous sommes passés au bilan de liaison. Celui-ci a été réalisé en prenant compte de différentes hypothèses jouant sur des paramètres tels la modulation, la distance maximale ou encore l’atténuation. Optimisation

Une fois les étapes précédentes réalisées, nous nous sommes penchés sur les codes correcteurs d’erreurs. En effet, le canal radio n’étant pas parfait et une modulation pouvant entraîner plus d’erreurs qu’une autre, ce critère-là n’est pas à négliger. Nous nous sommes limités à l’étude de quelques CCE recommandés par le CCSDS, à savoir le code de Reed Salomon (255,223) et le code convolutionnel (7,1/2). Canal de propagation

Ensuite, nous avons déterminé le canal de propagation. Nous avons donc retenu ces canaux de propagation : Canal gaussien et Canal de Rice.

Page 11: Rapport perseus telecom

- 11 -

2/ Description de l’environnement et des outils utilisés :

A. Satellite Tool Kit :

STK, développé par la société AGI, est outil de simulation spatiale. Utilisé pour l’armement et dans l’industrie spatiale, ce logiciel dispose de nombreux outils d’analyses (trajectoires, liaisons radios) le tout en 3D. Distribué par la société Agenium en France, nous avons pu utiliser brièvement ce logiciel, sous une licence temporaire. Nous avons pu ainsi visualiser la courbe de trajectographie en 3D. Nous disposions en effet d’un fichier Excel contenant de nombreux paramètres de trajectographie :

• TPS : temps (en seconde). • ALT : altitude du lanceur (en km). • VIT : vitesse du lanceur (en m/s). • PEN : pente (angle entre le vecteur vitesse et l'horizontale locale, en °). • ASS : angle entre l'axe longitudinale lanceur et l'horizontale locale, en °). • AZI : azimut (en °). • LAT : latitude (en °). • LON : longitude (en °). • APOG : apogée (en km). • PERIG : périgée (en km).

Il existe plusieurs manières de simuler une courbe en 3D sous STK. Nous avions

choisi la méthode « EphemerisLLATimePos », qui ne nécessite que les mesures de temps, de latitude, de longitude et d’altitude du lanceur. Ces valeurs sont rentrées dans le fichier « EphemerisLLATimePos_Perseus.e » suivant l’exemple ci-dessous : BEGIN Ephemeris NumberOfEphemerisPoints 29 ScenarioEpoch 1 Jun 2002 12:00:00.000000000 InterpolationMethod Lagrange InterpolationOrder 1 DistanceUnit Kilometers CentralBody Earth CoordinateSystem Fixed EphemerisLLATimePos 0.0000 5.239 -52.779 0.000000 0.1000 5.239 -52.779 0.000000 5.1199 5.239 -52.779 0.100000 12.5400 5.239 -52.779 0.800000 17.9099 5.239 -52.779 1.600000 25.7000 5.250 -52.779 3.299999 39.0099 5.289 -52.779 7.500000 55.4199 5.369 -52.779 14.600000 73.3700 5.530 -52.779 24.600000 80.5199 5.619 -52.779 29.299999 87.7099 5.730 -52.779 34.700000 90.0400 5.769 -52.779 36.500000 END Ephemeris

Page 12: Rapport perseus telecom

- 12 -

Une fois ce fichier créé, STK nous permet d’obtenir rapidement l’allure de la trajectoire du lanceur. De nombreux autres outils d’analyse de trajectoire sont aussi disponibles sur le logiciel STK, mais la création des fichiers « .e » (attitude du lanceur en l’air par exemple) est assez longue et fastidieuse.

Figure 2-A-1 : Trajectoire 3D du lanceur (départ Kourou).

Page 13: Rapport perseus telecom

- 13 -

B. Matlab – Simulink :

Le principal outil utilisé au cours de notre projet est Matlab 6.1 Release 12 ainsi que son module Simulink. 1 – Matlab :

Matlab est un logiciel de calcul numérique édité par la société The MathWorks. Il intègre de nombreuses fonctions de calcul mathématique et permet la création de ses propres fonctions de calcul. Nous avons utilisé MatLab pour effectuer différents calculs, ainsi que pour créer quelques petites fonctions de calcul de bilan de liaison, ou encore de tracé de taux d’erreur binaire pour différentes modulations. 2 – Simulink :

Simulink est un outil intégré à Matlab, qui permet de créer sous environnement graphique de concevoir et de simuler des systèmes variant dans le temps. De nombreuses librairies contiennent les différents blocs du système (chaîne de transmission) ainsi que des blocs d’analyse (scope, analyse spectrale…).

Page 14: Rapport perseus telecom

- 14 -

3/ Chaîne de transmission

A. Définitions

Figure 3-A-1 : Chaîne de transmission

Nous allons détailler les différents éléments que compose une chaîne de transmission :

� Code correcteur d’erreurs :

Les CCE sont utilisés dans tous les types de transmission (satellite, téléphonie, disque laser, TV haute définition). Ils permettent notamment d’améliorer le taux d’erreur d’une liaison au travers d’un canal bruité.. Les codes auto-correcteurs d’erreurs proviennent de la théorie de l’information initiée par C. Shannon dans les années 50. Lorsqu’on transmet une information au travers d’un canal “bruité" l’information parvient au récepteur avec des erreurs. On se propose de détecter les erreurs et de les corriger de façon automatique (si le nombre d’erreurs n’est pas trop grand). Un CCE est un code qui permet, outre la détection, la correction automatique de certaines fautes détectées lors d’une transmission. Il existe plusieurs CCE chacun ayant ses avantages et ses inconvénients. Les plus utilisés sont les codes convolutifs, BCH, Reed Salomon, Turbo Codes et les codages en bloc.

� Modulation/Démodulation :

Tout signal transportant une information doit passer par un moyen de transmission entre l'émetteur et le récepteur. Une fois élaboré, le signal est rarement adapté à la transmission directe par le moyen choisi. Il faut le modifier avant de commencer sa transmission. La modulation peut être définie comme le processus par lequel le message est transformé de sa forme originale en une forme adaptée à la transmission. C'est un processus qui peut être réalisé en utilisant une porteuse haute fréquence, dont les paramètres varient suivant des fonctions linéaires du message à transmettre. Au niveau du récepteur, ce processus est inversé par des méthodes de démodulation. On peut montrer que la modulation est équivalente à une translation de spectre des signaux. Dans le cas des systèmes linéaires, comme la modulation d'amplitude, les composantes du spectre sont translatées sans pratiquement aucun changement dans la distribution de leurs énergies relatives, tandis que dans le cas des systèmes non-linéaires, comme la modulation de fréquence, un tel processus implique la génération de nouvelles fréquences et d'une distribution d'énergie différente. Il existe différents types de modulation dont les plus utilisés sont les modulations en fréquence, en amplitude et en phase.

Page 15: Rapport perseus telecom

- 15 -

� Canal :

Le canal radio est un modèle qui permet de caractériser l’interface entre l’émission et la réception. Un canal possède trois propriétés fondamentales :

o Affaiblissement de parcours o Variabilité (shadowing) o Sélectivité en fréquence

Il existe différents types de canaux basés sur des modèles statistiques : canal AWGN, canal binaire symétrique, canal de Rice,…

B. Etat de l’art

Pour la télémétrie, les bandes de fréquences utilisées sont dans la bande S, elles doivent être bien sûr autorisées par le Space Operation service. Les fréquences utilisées les plus fréquemment sont les suivantes :

� 2025 à 2120 MHz pour le lien uplink � 2200 à 2300 MHz pour le lien downlink

Les liens télémétriques sont fournis par une porteuse modulée en phase ou en fréquence

par une sous porteuse de quelques kHz. Les débits varient de quelques dizaines de bit/s à quelques kbit/s. Les données transmises correspondent à des résultats de mesure. Une horloge interne est nécessaire pour la synchronisation. Deux types de standards ont été élaborés :

� Standard PCM de l’ESA (European Space Agency PSS-45 & PSS-46) qui date des années 1970.

� Standard CCSDS (Consultative Committee for Space Data System).

Standard PCM

Le message est organisé en trames et en groupe de trames qui constitue le champ. Chaque trame est constituée de mots et démarre avec un code de synchronisation. La première trame contient un mot d’identification. Les trames sont identifiées par un compteur. Dans le standard de l’ESA, le format est constitué de 16 trames et chaque trame contient 48 mots. Les données sont des mots de 8 bits. Si la donnée nécessite plus de 8 bits, on code la donnée sur deux mots différents et inversement pour une donnée qui a besoin de moins de 8 bits, on pourra mettre plusieurs données dans le même mot.

Page 16: Rapport perseus telecom

- 16 -

Standard CCSDS

Le CCSDS (Consultative Committee for Space Data System) est une organisation internationale constituée de nombreuses agences spatiales internationales.Depuis les débuts des années 1980, le CCSDS développent une série de recommandations pour la standardisation des systèmes de transfert de données. (Fréquence, modulation, packet telemetry, codage canal, …).

Plus de 300 missions spatiales ont adopté les recommandations fournies par le CCSDS, telles que celles de la NASA, du CNES ou de l’ESA.

Le « packet telemetry » est un concept qui facilite la transmission des données d’une source aux utilisateurs. Il est constitué d’une structure en couche où chaque couche implémente différentes fonctions pour permettre le multiplexage de différents types de données sur le même canal physique.

Figure 3-B-1 : Structure en couche : Packet Telemetry

Page 17: Rapport perseus telecom

- 17 -

Deux principales structures de données sont définies dans le « packet telemetry » : Le paquet source :

Le paquet source encapsule un bloc de donnée source. L’en-tête de ce paquet contient un

identifiant utilisé pour le routage du paquet à la destination cible, la longueur de l’information, et la séquence où d’autres caractéristiques du paquet.

Figure 3-B-2 : Trame du paquet source

Page 18: Rapport perseus telecom

- 18 -

Trames de transfert

Cette trame est de taille fixe et est constituée des paquets sources. Elle permet la fiabilité et le contrôle d’erreur à travers le moyen de transmission. L’en-tête de cette trame permet le routage des paquets sources vers la destination.

Figure 3-B-3 : Exemple de télémétrie

Page 19: Rapport perseus telecom

- 19 -

Il existe des recommandations au niveau du CCSDS au niveau du codage du canal ainsi qu’au niveau du choix du code correcteur d’erreurs :

Codage canal :

� Codage convolutionnel de longueur 7 et de débit ½ et un codage de Reed Salomon (255,239) ou (255,223).

Figure 3-B-4 : Codage canal recommandé

� Turbo Codes

Figure 3-B-5 : Codage canal recommandé

Page 20: Rapport perseus telecom

- 20 -

On peut comparer les performances de ces différents codes afin de comprendre pourquoi le CCSDS recommande d’utiliser ce codage canal

Figure 3-B-6 : Gain de codage norme CCSDS

Page 21: Rapport perseus telecom

- 21 -

Modulation :

Nous travaillons pour des débits de 100 Kbits/s à 1 Mbits/s :

Figure 3-B-7 : Modulations recommandées NASA CCSDS B20.0-Y-2

Dans le cas de notre étude, la modulation recommandée par le CCSDS est la QPSK.

Page 22: Rapport perseus telecom

- 22 -

C. Bilan de liaison

Nous avons réalisé notre bilan de liaison Station au sol - Lanceur en nous aidant des recommandations de l’ITU-R.

Nous utiliserons une antenne de réception d’un mètre de diamètre, de manière à

permettre une certaine mobilité.

Le gain de l’antenne obtenue est donné par : Avec : - k : coefficient d’efficacité (0.7). - S : surface de la parabole. - λ : longueur d’onde. Nous obtenons un gain d’antenne en réception de 26dBi Données :

� Gain d’antenne en réception : 26dBi � Gain d’antenne en émission : 3dBi � Puissance d’émission 30dBm � Fréquence de 2,2 Ghz

Les pertes en propagations dans le cas de notre liaison point à point sont la somme de différentes atténuations :

� Atténuation due aux gaz atmosphériques (réflexions, réfractions, scintillations) � Atténuations dues à la pluie ou aux autres perturbations climatiques

1. Atmosphère

Il existe différents modèles pour décrire l’atmosphère. Elle peut être considérée comme une série de couches concentriques délimitant plusieurs zones. Il y a deux grandes zones qui vont nous intéresser dans le cas de notre étude :

a) L’homosphère (60km à 90km) :

L’homosphère possède trois couches principales différenciées par leur gradient de température en fonction de l’altitude :

� La troposphère � La stratosphère � La mésosphère

4log(10

λS

kGdbΠ×=

Page 23: Rapport perseus telecom

- 23 -

b) L’hétérosphère :

On définit deux couches principales : � La thermosphère � L’exosphère

Au sein de la thermosphère se trouve une zone ionisée nommée Ionosphère. Dans cette

couche, il existe une quantité d’électrons suffisante pour influencer la trajectoire des ondes radioélectriques. Elle a été mise en évidence vers 1925 par quelques expérimentateurs Appleton, Barnett, Breit, Tuve, Marconi… Elle s’étend sur quelques centaines de km au dessus de la mésosphère et est divisée en trois régions distinctes. D, E, F

Figure 3-C-1 : Modèle de l’atmosphère

� Couche D : altitude de 75 à 95 km, pression 2 Pa, température -76°C densité électronique 104 (il doit s’agir de 10 puissance 4 …il faut préciser l’unité également). Constituée d'ions poly atomiques. Absorbante pour les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz, elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci.

� Couche E : altitude de 95 à 150 km, pression 0,01 Pa, température -50°C densité

électronique 105 (il doit s’agir de 10 puissance 5 …il faut préciser l’unité également). Constituée d'oxygène et monoxyde d'azote moléculaires ionisés et d'ions météoritiques. Diurne et présente tout au long du cycle solaire. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci. Au cours de l'été, en moyennes latitudes, apparaissent parfois pendant quelques dizaines de minutes, voire quelques heures, des « nuages » fortement ionisés dans la couche E (on parle de sporadique E ou Es)

Page 24: Rapport perseus telecom

- 24 -

� Couche F : altitude de 150 à 800 Km, pression 1.10-4 Pa, température 1000°C densité

électronique 106 (il doit s’agir de 10 puissance 6 …il faut préciser l’unité également). Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. Très dépendante de l'activité solaire, elle présente un niveau d'ionisation très important pendant les maxima du cycle solaire. Son altitude fluctue en fonction du rayonnement solaire; la couche F se décompose pendant la journée en deux sous-couches F1(150 à 210km) et F2. Ces deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais il arrive qu'elles persistent toute la nuit lors des maxima d'activité solaire. Comme pour la couche E, le rôle de la couche F est essentiel pour la propagation des ondes courtes.

Selon la recommandation de l’ITU-R 618.8 pour des fréquences de transmissions

inférieurs à 10GHz, on peut négliger les atténuations introduites par l’atmosphère. Les deux principaux gazs qui apportent de l’atténuation sont le CO2 et le H2O. En effet, selon la recommandation de l’ITU-R 676-8 l’atténuation introduite par l’atmosphère à 2GHz est de 0.07 dB/km.

Figure 3-C-1 : Atténuation du aux gaz atmosphériques

Page 25: Rapport perseus telecom

- 25 -

2. Climat

La deuxième source d’atténuation est le climat. Selon la recommandation de l’ITU-R 838-3 l’atténuation introduite par les troubles climatiques est donnée par la formule ci-dessous en dB/km à :

Où k et α sont des coefficients fonctions de la fréquence et R l’intensité de la précipitation en mm/h. Dans le cas de notre calcul, il faut prendre le pire cas de précipitation soit 150mm/h.

Recommandation de l’ITU-R 837-4.

Figure 3-C-2 : Coefficients k & α en fonction de la fréquence

On obtient après calcul une atténuation de l’ordre de 3.10-3

dB/km

Pour une distance de 2000km cela nous donne une atténuation totale de l’ordre de 7dB. Cette contrainte est à prendre en compte dans les conditions de lancement. En effet cette atténuation serait très importante dans un bilan de liaison.

Dans la suite de notre étude, nous négligerons l’atténuation introduite par la pluie. Il faudra donc envisager le lancement dans des conditions météorologiques optimales.

Page 26: Rapport perseus telecom

- 26 -

3. Effet Doppler

Lorsque le récepteur et la source se déplacent l'un par rapport à l'autre, la longueur d'onde à la réception diffère de la longueur d'onde à l'émission.

L'effet Doppler est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît aussi lorsque l'onde se réfléchit sur un objet en mouvement par rapport à l'émetteur ou au récepteur.

Avec :

� fdmax : fréquence de Doppler maximale en Hz � fc : fréquence du signal en Hz � v : vitesse du lanceur en m/s � c : vitesse de la lumière 3 108 m/s

On en déduit donc l’évolution de la fréquence suivante en fonction du temps : Fmax=2200056872 Hz. Fmin=2199943128 Hz. Soit un élargissement total de 113744 Hz.

Effet Doppler

2199940000

2199960000

2199980000

2200000000

2200020000

2200040000

2200060000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Te mps e n s

Effet doppler fréquence max

Effet doppler fréquence min

Figure 3-C-3 : Effet Doppler

Nous avons alors un rapport fd/fc de l’ordre de 5.10-5. La source de référence qui sera

utilisée pour la transmission aura des dérives du même ordre de grandeur. . . . On peut donc considérer que les variations Doppler sont négligeables par rapport aux variations apportées par les composants de la structure émission/réception. Dans la suite de notre étude, nous négligerons donc l’effet Doppler.

Page 27: Rapport perseus telecom

- 27 -

4. Calculs On pourra donc considérer que la seule atténuation pour notre calcul du bilan de

liaison est l’affaiblissement causé par l’espace libre. Calcul de l’affaiblissement en espace libre (Rec. ITU-R P.525-2)

A0dB = 32,44 + 20log dkm + 20log fMhz

Nous allons donc étudier la trajectographie de manière à trouver la distance maximale entre la station au sol et le lanceur.

Figure 3-C-4 : Visualisation Transmission

Page 28: Rapport perseus telecom

- 28 -

Calcul de la distance maximale entre la station au sol et le lanceur (cas d’une seule station) Coordonnées de départ : (5°14’24“ N ; 52°46’48“W) Coordonnées d’arrivée : (19°1’48“ N ; 52°46’48“W) Distance point à pont à la surface de la terre : 1533 km Distance maximale entre station et lanceur : 1806 km

On prendra une distance de 2000 km pour la distance maximale entre la station et le lanceur afin de conserver une marge dans nos calculs. Calcul de l’affaiblissement

On aura donc l’affaiblissement en espace libre égal à :

A0dB = 32,44 + 20log2000 + 20log 2200

On aura donc après l’application numérique :

A0dB = 165dB

Calcul du signal utile sur bruit

o On calcule la puissance utile :

C=Ge+Gr+Pe-A0dB

Gr : Gain d’antenne en réception : 26dBi Ge : Gain d’antenne en émission : 3dBi Pe : Puissance d’émission 30dBm A0dB : Atténuation en espace libre

Page 29: Rapport perseus telecom

- 29 -

o On calcule la puissance de bruit

Le bruit thermique est dû au mouvement des électrons dans les conducteurs. La puissance de bruit thermique évaluée au niveau de l’entrée du récepteur est donnée par la formule :

No=FkTB (W)

K : constante de Boltzmann : 1,3804 10 -23 [J/K] T : température de l’environnement se situant autour du récepteur: 30°C soit 303°K B : bande passante en Hz F : facteur de bruit : 3db

Page 30: Rapport perseus telecom

- 30 -

4 - Simulation de la Chaîne de transmission

A. Choix du canal

Dans le cadre de notre projet, nous avons choisi de réaliser une série de mesures en utilisant un canal gaussien et un canal de Rice :

Canal gaussien

Un canal gaussien est un canal qui rajoute un bruit blanc gaussien. Le canal gaussien n'a pour effet que d'ajouter au signal émis un bruit blanc indépendant du signal et distribué suivant une loi normale. Pour un rapport signal à bruit donné, générer le signal reçu en ajoutant au signal émis un bruit blanc gaussien.

Canal de Rice

Dans le cas LOS, le signal est composé d’une composante cohérente en ligne de vue et de composantes multi trajets

Figure 4-A-1 : Canal de Rice

Distribution de Rice :

où σ2 est la variance de la partie réelle ou imaginaire des composants multi trajets et s est l’amplitude du signal LOS. I0 est la fonction de Bessel modifiée de première espèce et d’ordre 0. Si s est nul, on obtient la distribution de Rayleigh. Si s est important, on retrouve le cas du canal AWGN.

Page 31: Rapport perseus telecom

- 31 -

On peut donc caractériser un canal de Rice par le facteur K tel que :

K=²2

²

_

_

σs

aléatoirepuissance

coherentepuissance =

Nous avons considéré les trajets multiples comme négligeable. En effet, peu de causes

de trajets multiples se présentent sur la chaîne de transmission : les réflexions sur les couches atmosphériques étant très faibles, nous prenons un facteur K élevé est pris en compte, et donc un canal de Rice proche du canal à bruit blanc Gaussien.

B. Choix des modulations

1. Critères de sélection :

Lors de notre étude, nous avons dû réaliser des choix concernant les modulations. Pour cela nous nous sommes basés sur différents critères. Ainsi, la probable utilisation d’amplificateurs de classe C nous obligent à choisir des modulations dites à enveloppe constante. En effet, un amplificateur de classe C introduit un effet de seuil ; il s’ensuit que la porteuse est supprimée pendant un intervalle de temps non négligeable si la modulation n’est pas à enveloppe constante. De plus, nous avons favorisé les modulations assez simple à mettre en œuvre et dont nous disposons facilement d’informations. Nous avons également sélectionné les différentes modulations en fonction de leurs performances.

C’est pourquoi nous avons décidé d’étudier les modulations suivantes : QPSK/ OQPSK, GMSK ainsi que la BPSK retenu comme référence d’étude.

Figure 4-B-2 : Amplificateur linéaires & Amplificateur classe C

Page 32: Rapport perseus telecom

- 32 -

2. Pourquoi elles n’ont pas été retenues :

Les modulations à amplitude n’ont pas été retenues bien que simples à réaliser. De plus, si la valence M augmente, on peut obtenir des gains par rapport à une PSK par exemple, mais au prix de phénomènes de distorsion sur la constellation durant l’amplification.

Quant aux modulations fréquentielles, nous ne les avons pas retenues, car nous avions pensé à d’éventuels problèmes lors d’une modulation cohérente dus aux effets Doppler (décalage de fréquences…).

3. Définition modulations

• La BPSK :

Appelées modulations M-PSK (Phase shift Keying : Modulation à déplacement de

phase), ces modulations ne modifient que la phase de la porteuse. Le M représente le nombre d’états différents que la phase du signal peut prendre.

La BPSK (Binary Phase Shift Keying), est une modulation à deux états. La phase de la porteuse ne peut être déplacée que par deux états différents : 0 ou Pi comme le montre la constellation suivante :

Figure 4-B-3 : Constellation d’une modulation BPSK

• La QPSK :

La QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) est une modulation à quatre états de phase

comme le montre la figure suivante (en code de Gray) :

Figure 4-B-4: Modulation QPSK

A l’arrivée de chaque train binaire, la phase de la porteuse est donc décalée de la valeur indiquée dans le tableau.

Symbole d’entrée

Phase

00 π/4 01 3π/4 10 5π/4 11 7π/4

Page 33: Rapport perseus telecom

- 33 -

Figure 4-B-5: Simulation d’une modulation QPSK

La QPSK présente l’inconvénient des sauts de phase trop violents (passage de « 00 » à

« 11 » par exemple).

La modulation OQPSK (pour Offset-QPSK) permet de pallier cet inconvénient en évitant les passages par 0. Nous nous intéresserons donc à cette méthode de modulation.

Les passages par 0 sont empêchés par le principe de cette modulation : la voie en quadrature est décalée d’un temps T/2 (avec T le temps bit). Ainsi, si deux symboles en phase et en quadrature sont identiques, un QPSK aurait effectué un saut de phase directe de 180°. Avec l’OQPSK, le saut de phase va suivre le cercle en faisant deux sauts de phases successifs de 90°.

Il existe deux types de modulateurs OQPSK : OQPSK avec modulateur I/Q ou à l’aide d’un unique modulateur de phase.

Modulateur PM Modulateur I/Q

Figure 4-B-6: Modulateur OQPSK

Page 34: Rapport perseus telecom

- 34 -

A noter que les filtrages sont réalisés en bande de base, ce qui permet d’alléger les facteurs de coûts, de poids de matériel et de pertes de puissance.

Un des avantages de cette modulation est le fait qu’elle soit très répandue. Ainsi c’est une modulation qui est très facile à mettre en œuvre. Malgré tout elle comporte un défaut majeur. En effet les passages par 0 lors des changements de phase peuvent entrainer quelques soucis de fonctionnement, l’enveloppe n’étant pas constante (voir ci dessus). Afin de résoudre ce problème, il est nécessaire d’utiliser une variante de cette modulation, à savoir l’OQPSK. Ainsi, l’OQPSK permet d’amener la continuité de phase. On pourra également ajouter qu’à débit constant, l’OQPSK occupe une bande 2 fois moins large que la BPSK.

• La GMSK :

Nous avons décidé d’étudier une autre modulation à enveloppe constante permettant l’utilisation optimale d’amplificateurs de classe C.

On utilise pour le téléphone GSM un type particulier de modulation à 4 états : la modulation MSK (minimum shift keying). Un décalage en phase de + 90° représente un bit de données égal à 1, tandis que - 90° représente un 0. Le décalage de fréquence crête à crête d'un signal MSK est égal à la moitié du débit binaire. Le vecteur passe d’un point à un autre avec une vitesse et un module constant :

Figure 4-B-7: Principe de la modulation MSK

Pour obtenir une variation de phase régulière à partir du signal numérique xn(t), on

fabrique les signaux i(t) et q(t) de la manière suivante :

Page 35: Rapport perseus telecom

- 35 -

Figure 4-B-8: Structure du modulateur MSK

On améliore la modulation MSK en filtrant le signal numérique avant l’intégrateur à

l’aide d’un filtre à réponse impulsionnelle gaussienne : on parle alors de GMSK (Gaussian minimum shift keying) Les points anguleux de la courbe de phase disparaissent alors, et le spectre est particulièrement intéressant puisqu’on constate la quasi disparition des lobes secondaires.

Figure 4-B-9: Structure d’un modulateur GMSK

Le spectre d’un signal modulé GMSK avec un débit de 270833 bits/s utilisé pour le

GSM est le suivant :

Figure 4-B-10: Spectre d’un signal GMSK

Page 36: Rapport perseus telecom

- 36 -

La modulation GMSK permet de produire des signaux de porteuse à enveloppe constante, d'où l'absence de variations d'amplitude dans le signal modulé. Sans variation d'amplitude pour exciter les erreurs de linéarité de l'amplificateur de l'émetteur, la distorsion non linéaire n'a pas d'importance majeure. L’amplificateur tend à offrir un compromis entre linéarité et efficacité, et on peut choisir un amplificateur plus efficace (en classe C) sans que sa linéarité constitue un souci majeur.

Il existe deux principaux types de modulateurs pour la GMSK, l’un à l’aide d’un VCO, l’autre utilisant une méthode de mise en quadrature en bande de base.

Figure 4-B-11: Modulateur avec VCO à quadrature

Figure 4-B-12: Modulateur avec VCO à quadrature

Le principal avantage de cette modulation réside dans le fait que c’est une modulation à enveloppe constante et à phase continue. Ainsi elle pourra être utilisée avec les amplificateurs de classe C. L’inconvénient de cette modulation est du au filtrage en modulation. En effet cela conduit à l’apparition d’interférences entre les symboles (IES). De plus en pratique, on réalise une démodulation cohérente, cette méthode permettant un taux d’erreur plus faible.

Page 37: Rapport perseus telecom

- 37 -

C. Simulation Une seule station sans CCE

Nous avons choisi d’étudier trois différentes modulations :

• QPSK – OQPSK • GMSK 0.5 • BPSK

On réalisera l’étude de ces modulations avec 3 débits : • 100 kbps • 500 kbps • 1 Mbps

Largeurs de bande considérées pour notre étude :

BP en khz débit de

100 kbps BP en khz débit

de 500 kbps BP en khz débit de 1 Mbps

QPSK 50 250 500 GMSK 0,5 50 250 500 BPSK 100 500 1000

A l’aide de Matlab (cf.annexe bilan.m)

On obtient les performances suivantes dans les conditions initiales vues ci dessus : QPSK & OQPSK:

Débit en kbps

C/N en dB en réception

100 16,702 500 9,715

1000 6,702 GMSK 0.5 :

Débit en kbps

C/N en dB en réception

100 16.7012 500 9.715

1000 6.702 BPSK :

Débit en kbps

C/N en dB en réception

100 13.6909 500 6.7012

1000 3.6909

Page 38: Rapport perseus telecom

- 38 -

Nous avons retenu deux taux de BER pour notre étude, 10-3

et 10-5

, figurant parmi les taux d’erreur les plus souvent cités dans les documents de référence CCSDS.

� Modulation 4-PSK (QPSK) :

Figure 4-C-1: Probabilité d’erreur par symbole de la M-PSK

Ces courbes donnent les probabilités d’erreurs bit pour différents niveaux de Eb/No.

Elles sont obtenues à partir de l’expression de la probabilité d’erreur.

On a pour un BER de 10-5

on a un Eb/No=10.5 dB. Pour un BER de 10-3,

on obtient un rapport Eb/No= 7.5 dB.

Nous devons alors calculer le rapport N

Ccorrespondant à ces différents Eb/No.

W

Rb

No

Eb

N

C ×=

Où Rb est le débit en Kbits/s et W est la bande passante en kHz.

Nous considérons ici notre canal comme à bande infinie et prenons en compte que la rapidité de modulation. Elle est de 2 pour la QPSK (modulation à code quaternaire).

Page 39: Rapport perseus telecom

- 39 -

On obtient ainsi unN

C limite de 13.5 dB pour un BER de 10

-5 et 10.5 dB à un BER de

10-3

.

Voici les valeurs calculées de N

Cen réception sur notre chaîne :

Calcul des C/N en réception :

Débit en kbps C/N en dB en réception 100 16.7 500 9.7 1000 6.7

Observations :

Pour un débit brut de 100 kbit/s, nous sommes donc 3.2 dB au-dessus de la limite de

13.5 dB pour un BER à 10-5

et 6.2 dB au-dessus de la limite N

C pour un BER à 10

-3.

Ces marges sont assez « limites ». Des marges de l’ordre de 10dB seraient préférables.

Pour les débits de 500 et 1000 kbit/s, le N

Cen réception est inférieur au

N

C requis.

Une solution est à envisager.

Page 40: Rapport perseus telecom

- 40 -

� Modulation GMSK 0.5:

Figure 4-C-2: Performance GMSK 0.5 (CCSDS B20.0-Y-2).

Nous pouvons ainsi obtenir les différents niveaux de Eb/No nécessaires pour nos deux

BER.

Un BER de 10-5

nécessite un Eb/No de 10.6 dB. Un BER de 10-3

nécessite un Eb/No de 7.9 dB.

Nous évaluons ainsi les niveaux de C/N requis : W

Rb

No

Eb

N

C ×= .

Nous utilisons une GMSK 0.5 ( 5.0* =bTB ), le rapport Rb/W vaut ainsi 3dB.

Nous obtenons ainsi un C/N de 13.6 dB pour un BER à 10-5

et de 10.9 dB pour un BER à 10-

3.

Calcul des C/N en réception :

Débit en kbps C/N en dB en réception 100 16.7 500 9.7

1000 6.7 Observations : Ces valeurs sont identiques à la QPSK. Ceci était prévisible, car notre GMSK utilise un coefficient B*T de 0.5 (comme la QPSK).

Tout comme la QPSK, la marge à 100 kbit/s est assez « juste ». Les niveaux de C/N pour 500 kbit/s et 1000 kbit/s sont très en-dessous des niveaux

nécessaires aux taux d’erreurs visés.

Page 41: Rapport perseus telecom

- 41 -

� Modulation 2-PSK (BPSK):

Figure 4-C-3: Courbe de performance BER BPSK

Cette modulation est en général utilisée comme « référence » avec d’autres

modulations. C’est pourquoi nous l’avons testé.

Modulation Type Eb/No for 10-3

BER Eb/No for 10-5

BER

Unfiltered BPSK (for reference only) 6.8 dB 9.6 dB

Nous relevons donc les Eb/No nécessaires aux BER 10-5 et 10

-3.

Les C/N correspondants sont égaux aux Eb/No (en effet, rapport B*T égal à 1, soit

0dB).En conclusion, la BPSK nécessite des niveaux de C/N supérieurs à 9.6 dB pour un BER

de 10-5

, et supérieur à 6.8 dB pour un BER à 10-3

.

Page 42: Rapport perseus telecom

- 42 -

Calcul des C/N en réception :

Débit en kbps C/N en dB en réception 100 13.7 500 6.7

1000 3.7 Observations :

A 100 kbit/s, nous avons une marge de C/N de plus de 4 dB à un BER de 10-5

et de

prés de 7 dB à un BER de 10-3

. Les C/N à 500 et 1000 kbit/s sont quant à eux toujours insuffisants pour les BER

visés. Tableau récapitulatif : Niveau de C/N minimum pour les BER visés :

BER = 10-3 BER = 10-5 BPSK 6.8 9.6 QPSK 10.5 13.5

OQPSK 10.5 13.5 GMSK 0.5 10.9 13.6

Page 43: Rapport perseus telecom

- 43 -

D. Optimisation

1. Ajout de CCE :

Pour nos trois modulations étudiées, seul un débit de 100 Kbits/s passe. Il faut donc optimiser notre chaîne de transmission par le rajout de Code Correcteur d’Erreurs. Nous avons étudié trois solutions de codage, celles recommandées par la norme CCSDS.

� CCE

� Reed Salomon (255,223) : rate de 87.4 % � Convolutionnel (7, 1/2) : rate de 50 % � Convolutionnel & Reed Salomon (255, 223) : rate de 43,7 %

Gain de codage (recommandations CCSDS annexe) : BER = 10

-3 BER = 10

-5

Reed Salomon (255,223) 1.4 3.2 Convolutionnel (7,1/2) 4.2 5.4 Reed Salomon + Convolutionnel 4.9 7.3 Pour atteindre les débits visés il nous faut prendre en compte les taux de codage. Le tableau ci-dessous obtenu à partir des différents taux de codage des CCE nous permet d’obtenir les débits bruts à prévoir en fonction des débits de télémétrie visés.

100 Kbits/s 500 Kbits/s 1000 Kbits/s RS (255,223) 120 580 1150 Conv (7,1/2) 200 1000 2000

RS+conv 240 1160 2330

� BER de 10-5

QPSK

Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB Code correcteur

Gain de codage

pour un BER 10-5

100 500 1000 100 500 1000

RS (255,223) 3.2 18.1 12.2 9.2 13.1 7.2 4.2 Conv (7,1/2) 5.4 19.1 12.1 9.1 14.1 7.1 4.1

RS+conv 7.3 20.2 13.3 10.3 15.2 8.3 5.3

Page 44: Rapport perseus telecom

- 44 -

On doit avoir un C/N supérieur seuil de 13.5dB :

Pour assurer un débit de 100 Kbits/s il faut ajouter un code convolutionnel au minimum.

On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés

GMSK 0.5 :

Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB déduite Code correcteur

Gain de codage

pour un BER 10-5

100 500 1000 100 500 1000

RS(255,223) 3.2 18.1 12.2 9.2 13.1 7.2 4.2 Conv(7,1/2) 5.4 19.1 12.1 9.1 14.1 7.1 4.1

RS+conv 7.3 20.2 13.3 10.3 15.2 8.3 5.3 On doit avoir un C/N supérieur seuil de 13.6dB :

Pour assurer un débit de 100 Kbits/s il faut ajouter un code convolutionnel au minimum.

On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés

BPSK :

Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB déduite Code correcteur

Gain de codage

pour un BER 10-5

100 500 1000 100 500 1000

RS(255,223) 3.2 16.1 9.2 6.2 11.1 4.2 1.2 Conv(7,1/2) 5.4 16.1 9.1 6.1 11.1 4.2 1.1

RS+conv 7.3 17.1 10.3 7.3 12.1 5.3 2.3 On doit avoir un C/N supérieur seuil de 9.6dB :

On en conclut que pour des débits de 500kbitps et de 1Mbits cela ne fonctionnera pas.

Cependant les trois codages proposés permettent d’obtenir un le débit de 100 Kbits/s de télémétrie.

On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre portée de transmission et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés.

Page 45: Rapport perseus telecom

- 45 -

� BER de 10-3 QPSK

Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB Code correcteur

Gain de codage

pour un BER 10-5

100 500 1000 100 500 1000

RS (255,223) 3.2 16.3 10.4 7.4 11.3 5.4 2.4 Conv (7,1/2) 5.4 17.9 10.9 7.9 12.9 5.9 2.9

RS+conv 7.3 17.8 10.9 7.9 12.8 8.9 2.9 On doit avoir un C/N supérieur seuil de 10.5dB :

Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera

pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés.

GMSK 0.5 :

Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB Code correcteur

Gain de codage

pour un BER 10-5

100 500 1000 100 500 1000

RS (255,223) 3.2 16.3 10.4 7.4 11.3 5.4 2.4 Conv (7,1/2) 5.4 17.9 10.9 7.9 12.9 5.9 2.9

RS+conv 7.3 17.8 10.9 7.9 12.8 8.9 2.9 On doit avoir un C/N supérieur seuil de 10.9 dB :

Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera

pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés.

Page 46: Rapport perseus telecom

- 46 -

BPSK :

Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB déduite Code correcteur

Gain de codage

pour un BER 10-5

100 500 1000 100 500 1000

RS(255,223) 3.2 14.3 7.4 4.8 9.3 2.4 -0.2 Conv(7,1/2) 5.4 14.9 7.9 4.9 9.9 2.9 -0.1

RS+conv 7.3 14.7 7.9 4.9 9.7 2.9 -0.1 On doit avoir un C/N supérieur seuil de 6.8dB :

Les trois codages permettent d’assurer un débit de 100 Kbits/s de télémétrie. On en conclut que pour des débits de 1Mbits et 500Kbits/s cela ne fonctionnera

pas. On peut donc penser à l’ajout d’une station de manière à réduire notre distance et ainsi augmenter notre C/N de manière à assurer des débits plus élevés.

Page 47: Rapport perseus telecom

- 47 -

2. Ajout d’une station

On place une nouvelle station de réception dur la côte Est de la Martinique dans la ville du Vauclin. Les coordonnées sont les suivantes : (14°32'14.00"N, 60°49'35.00"W)

Figure 4-D-1: Nouvelle station en Martinique

L’ajout d’une nouvelle station permet de réduire la distance et donc l’atténuation causée en espace libre. Nous allons donc étudier une solution permettant d’assurer un débit de

500 Kbits/s pour un BER de 10-5

.

Page 48: Rapport perseus telecom

- 48 -

QPSK

La distance à partir de laquelle la valeur seuil pour un BER de 10-5 de 13.5 dB n’est

plus respectée est de 914 km. Cela représente une latitude de 13.4°, on aura donc le lanceur à une altitude 211 km.

A partir des données contenues dans la trajectographie mise à notre disposition une série de calculs : Altitude du lanceur au point de Hand Over : 211 km Distance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 877.4 km Distance station2-lanceur au point de Hand Over : 902 km

250 km

1533 km Arrivée Départ

Martinique

990 km

1021 km

1353 km

250 km

1533 km Arrivée Départ

Martinique

Marge>13.5 dB

Page 49: Rapport perseus telecom

- 49 -

Or la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km. On prendra donc cette valeur comme référence au niveau de notre bilan de liaison. Conclusion :

Valeur de C/N inférieur au C/N seuil de 13.5dB Ajout un code correcteur d’erreur :

Code

correcteur Gain de codage pour un BER 10

-5 Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB

RS(255,.223) 3.2 18.1 13.1 Conv(7,1/2) 5.4 17.9 12.9

RS+conv 7.3 19.2 14.2

On en conclut que l’ajout d’un code convolutionnel (7,1/2) associé à un code de Reed Salomon (255 ,223) permet d’obtenir une valeur C/N supérieur à la valeur limite de 13.5 dB et donc d’assurer les 500 Kbits/s de télémétrie.

Page 50: Rapport perseus telecom

- 50 -

GMSK 0.5

Débit en kbps C/N en réception 100 16.7012 500 9.715

1000 6.702

Comme nous l’avons vu précédemment pour assurer un BER de 10-5 il faut un c/n de 13.6 dB.

La distance à partir de laquelle la valeur seuil de 13,6dB n’est plus respectée est de 903.7 km

A partir des données contenues dans la trajectographie mise à notre disposition une série de calculs : Altitude du lanceur au point de Hand Over : 211 km Distance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 879 km Distance station2-lanceur au point de Hand Over : 904 km Or la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km. Conclusion :

Valeur de C/N inférieur au C/N seuil de 13.6dB Ajout un code correcteur d’erreur :

Code

correcteur Gain de codage pour un BER

10-5 Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB

RS(255,.223) 3.2 18.1 13.1 Conv(7,1/2) 5.4 17.9 12.9

RS+conv 7.3 19.2 14.2

On en conclut que l’ajout d’un code convolutionnel (7,1/2) associé à un code de Reed Salomon (255 ,223) permet d’obtenir une valeur C/N supérieur à la valeur limite de 13.6 dB et donc d’assurer les 500 Kbits/s de télémétrie.

Page 51: Rapport perseus telecom

- 51 -

BPSK

Comme nous l’avons vu précédemment pour assurer un BER de 10-5 il faut un c/n de 9.6 dB.

La distance à partir de laquelle la valeur seuil de 9.6dB n’est plus respectée est de 1013km.

A partir des données contenues dans la trajectographie mise à notre disposition une série de calculs : Altitude du lanceur au point de Hand Over : 222.5km Distance station2-sol (projection) au point de Hand Over : 867km Distance station2-lanceur au point de Hand Over : 895.2km Or la distance maximal station2 – Lanceur au point de largage est de 1021km. On prendra donc cette valeur comme référence au niveau de notre bilan de liaison. Conclusion :

Valeur de C/N inférieur au C/N seuil de 9.6dB Ajout un code correcteur d’erreur :

Code

correcteur Gain de codage pour un BER

10-5 Nouveau C/N en dB Marge de 5 dB

RS(255,.223) 3.2 15.1 10.1 Conv(7,1/2) 5.4 14.9 9.9

RS+conv 7.3 16.2 11.2

On en conclut que l’ajout d’un code convolutionnel (7,1/2) associé à un code de Reed Salomon (255 ,223) permet d’obtenir une valeur C/N supérieur à la valeur limite de 9.6 dB.

Cependant, on remarque que pour les deux codes utilisés seul la marge est très faible.

Page 52: Rapport perseus telecom

- 52 -

3. Conclusion puissance : Dans nos conditions de simulation, à savoir :

- Puissance d’émission : 30dBm - Gain émission : 3dB - Antenne réception de 1m de diamètre, gain de réception : 26dBi. - Marge d’ingénierie : 5dB.

Nous avons pu dégager certaines conclusions :

� Avec une seule station de réception basée à Kourou, nous pouvons assurer seulement

un débit de 100 Kbits/s de télémétrie :

o BER de 10 -5 : � OQPSK & GMSK 0.5: nécessite un code correcteur convolutionnel

(7,1/2) ou un code concaténé convolutionnel (7 ,1/2) + Reed Salomon (255,223).

� BPSK : nécessite l’un des codes correcteurs proposés.

o BER de 10 -3 : � Les trois modulations fonctionnent quel que soit le CCE utilisé.

� Avec deux stations de réception, l’une basée en Martinique et une basée à Kourou,

nous pouvons assurer seulement un débit allant jusqu’à 500 Kbits/s de télémétrie :

o BER de 10 -5 : � Le débit de 500 kbits/s est assuré avec l’utilisation d’un code concaténé

convolutionnel (7 ,1/2) + Reed Salmon (255,223) pour les trois modulations.

Page 53: Rapport perseus telecom

- 53 -

4. Conclusion faisabilité :

Plusieurs choix seraient alors possibles. Le choix d’assurer un débit utile de 100Kbits/s avec une seule station ou d’installer une deuxième station en Martinique, par exemple, afin d’atteindre des débits de 500Kbits/s.

Une réflexion s’impose alors sur ces possibilités. Il serait d’abord nécessaire de fixer le débit utile nécessaire.

Ensuite, en fonction du BER visé, une sélection des modulations s’impose en fonction

de leur complexité à être implémentées. Il est à noter que pour un BER de 10-5, le code concaténé est nécessaire pour assurer le débit en présence d’une seule station. Sa complexité en terme de temps de calcul risque d’être déterminante dans le choix de cette solution. Une alternative semblerait être préférable (utilisation du code convolutionnel car plus simple à réaliser). L’implémentation d’une deuxième station permettrait de n’utiliser qu’un seul code correcteur (les trois codes différents présentant des performances sensiblement identiques dans ces conditions).

Enfin, les modulations seront elles aussi un facteur important lors de l’étude de la

complexité de leur implémentation.

5. Ouverture sur d’autres sujets :

� Un premier point à étudier, serait de déterminer un modèle de trames et le débit nécessaire à leur transmission. Une fois cela déterminé, les premières simulations ou bancs de tests pourraient alors être réalisés compte tenu des conclusions tirées dans ce présent rapport.

� Il serait intéressant de déterminer avec précision l’impact du BER sur la télémétrie, à

savoir l’impact de la perte d’un ou plusieurs bits sur la qualité des mesures reçues. Il faudrait alors prendre en compte la dynamique de codage des données ainsi que leur répartition dans les trames. Une idée a été que la pseudo continuité des données mesurées (température, pression, temps) permettrait des taux d’erreurs peut-être importants. En effet, par interpolation, les valeurs perdues pourraient ainsi être retrouvées.

� Les performances des codes correcteurs d’erreurs sont un facteur important.

Les CCE utilisés dans notre étude ne sont que quelques-uns des codes proposés par le CCSDS. Les codes convolutionnels ont la qualité d’être simples à réaliser mais pèchent par leur ratio de codage. Les turbos codes sont peut-être une voie à étudier.

� Des études sur les antennes pourraient peut-être apporter des précisions sur le bilan de liaison lors de la phase de lancement (attitude du lanceur, etc…).

Page 54: Rapport perseus telecom

- 54 -

5. Conclusion

Participer à un projet de l’ampleur de Perseus aura été une expérience très enrichissante pour nous. En effet, tenter d’apporter une innovation et des connaissances à un projet qui verra peut-être le jour dans quelques temps, nous aura tenu à cœur et aura suscité notre intérêt tout au long de l’étude.

Nous avons pu, par l’étude de la chaîne de transmission, apporter des conclusions sur

certains aspects de la télémétrie du lanceur Perseus. Bien que de nombreuses solutions différentes puissent être envisagées, nous espérons que nos travaux permettront de servir de base de connaissances pour de futures études du projet Perseus.

Enfin, ce projet nous aura permis de côtoyer des professionnels du monde des

télécommunications et de l’aérospatiale portant elles aussi un vif intérêt à ce projet.

Page 55: Rapport perseus telecom

- 55 -

6. Glossaire BER: Bit-Error-Rate CCSDS: Consultative Committee for Space Data Systems ESA: European Space Agency GMSK: Gaussian Minimum Shift Keying OQPSK: Offset QPSK PSK: Phase Shift Keying QPSK: Quadrature Phase Shift Keying AWGN: Additive White Gaussian Noise BPSK: Binary Phase Shift Keying C: Puissance utile de la porteuse N: Bruit thermique Eb: Energie bit CCE: Code correcteur d’erreurs

Page 56: Rapport perseus telecom

- 56 -

7. Bibliographie CCSDS:

• 100.0-G-1 Telemetry Summary of Concept and Rationale. • 130.1-G-1 TM Synchronization and Channel Coding--Summary of Concept and

Rationale • 413.0-G-1 Bandwidth-Efficient Modulations: Summary of Definition,

Implementation, and Performance. • 412.0-G-1 Radio Frequency and Modulation Systems—Spacecraft-Earth Station

Compatibility Test Procedures • 131.1-O-1 Low Density Parity Check Codes for Use in Near-Earth and Deep Space

Applications • B20.0-Y-2 Proceedings of the CCSDS RF and Modulation Subpanel 1E on

Bandwidth-Efficient Modulations ITU-R:

• 838-3: Specification attenuation model for rain for use in prediction methods • 676-6: Approximate estimation of gaseos attenuation in the frequency range 1-350

Ghz • 837-4: Characteristics of precipitation for propagation modelling • 676-6: Attenuation by atmospheric gases • 618-8: Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space

telecommunication systems • 525-2: Calculation of free space attenuation

Ouvrages:

• Communications numériques / Alain Glavieux & Michel Joindot. Editions Masson. 1996

• La propagation des ondes radioélectriques. / Sizun Herv. Edition Springer. 2003 • Satellite communications systems Third Edition / Maral & Bousquet. 1998

Page 57: Rapport perseus telecom

- 57 -

8. Annexes Taux de précipitation pour le continent Américain

Page 58: Rapport perseus telecom

- 58 -

Aperçu des performances de certains codes correcteurs

Page 59: Rapport perseus telecom

- 59 -

Code de la fonction « bilan.m » %------------------------------------------------------ % Calcul du rapport C/N en réception % En fonction de d(km), D(kbits/s) et m(modulation) %------------------------------------------------------ % Modulations à utiliser %%%%%% % Exemples de performances de modulation : % 1-QPSK - OQPSK : B=D/2 % 2-GMSK 0.5 : B=D*0.5 % 3-BPSK : B=D function [j]=bilan(d,D,m) x=1:d; %Calcul des bandes passantes des modulations if m==1 B=D/2; elseif m==2 B=D*0.5; else m==3 B=D; end %bilan de liaison (Gr=26dB, Pe=30dBm, Ge=3dB, F=2 GHz) C=30+3+26-32.44-20*log10(2200)-20*log10(x); %bruit thermique (facteur de bruit 3dB, T°=30°C, B = bande passante en Khz) No=-173+3+10*log10(B*1000); %C/No en réception y=C-No; plot(x,y) min(y) grid on; zoom on;