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TELECOMMUNICATIONS HERTZIENNES: LA MODULATION

6 - Mobilité et débit

La problématique des nouveaux services

Les télécommunications peuvent être classées en trois grandes catégories: la diffusion, les communications asymétriques et le communications symétriques. La diffusion consiste à envoyer les mêmes informations à tous les utilisateurs, qui sélectionnent alors celle qui les intéresse parmi toutes celles qui sont disponibles: radio, télévision..., la communication est à sens unique. Dans le deuxième cas l'utilisateur définit son choix préalablement, envoie la requête correspondante, et seule l'information demandée lui est transmise; les exemples en sont internet, la Vidéo à la Demande (VoD), la voie descendante a un débit bien supérieur à la voie de retour. Dans le troisième cas, deux interlocuteurs sont mis en communication pour une durée limitée parmi une multitude utilisant le même service: téléphone, WiFi..., les débits sont comparables dans les deux sens. L'évolution des télécommunication tend à rapprocher ces trois catégories: inter-activité en diffusion, diffusion par internet, échanges de fichiers par téléphone, etc...

La course aux débits de plus en plus importants, ainsi que la mobilité des terminaux utilisateurs, font que les modulations classiques, que nous avons présentées jusqu'ici, se trouvent limitées pour satisfaire l'évolution des services. Le développement des techniques de traitement de signal numérique, et l'augmentation de la rapidité des circuits ont permis d'envisager des types de modulation qui allient à la fois capacité en débit et aptitude à la mobilité.

S'agissant de liaisons hertziennes, l'augmentation des débits implique des larges bandes de fréquences de transmission. La mobilité impose une organisation cellulaire du réseau et la prise en compte des effets Doppler et de trajets multiples de propagation. Il faut donc disposer de technologies qui sont à la fois large bande, et qui donc a priori nécessitent des modulations rapides, et assez lentes pour que les récepteurs puissent s'adapter malgré les étalements de spectre et d'impulsions de signaux. Nous allons présenter deux techniques de modulation qui tentent de satisfaire ces contraintes contradictoires: la modulation OFDM, surtout destinée liaisons asymétriques, y compris avec des mobiles, et la modulation CDMA, développée pour la 3e génération de téléphones portables. Ces modulations font encore appel à une fréquence porteuse, même si ses bandes latérales peuvent être larges et de structures complexes.

Nous présenterons ensuite succinctement de nouvelles technologies de modulation qui diffèrent sensiblement des principes exposés jusqu'ici.

Modulations à fréquence porteuse

Modulation OFDM

fig21

Dans la modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), le codage numérique est réparti sur plusieurs sous-porteuses associées à la porteuse principale. Si les sous-porteuses sont espacées d'une fréquence correspondant à l'inverse du temps-symbole, elles sont indépendantes les unes des autres, on dit qu'elles sont orthogonales entre elles, ce qui limite fortement les interférences mutuelles, et donc les mélanges de signaux de modulation.

L'avantage d'un tel système est double:

  • Allongement des temps symbole.

fig22

D'une part la répartition du code sur différentes porteuses (par exemple 256) permet d'augmenter d'autant la durée des temps-symboles et de minimiser ainsi l'influence des trajets multiples, très nombreux en zones urbaines en particulier.

Les ondes électromagnétiques suivent des chemins différents pour aller d'un émetteur à un récepteur (Fig 21) à cause de réflexions multiples sur les obstacles. Le récepteur reçoit donc un signal qui est la somme vectorielle de signaux identiques mais décalés dans le temps en fonction des longueurs respectives des différents chemins (Fig 22). L'allongement des temps-symboles laisse ainsi plus de latitude de détection au récepteur qui dispose d'une durée de lecture pour une décision fiable de l'état du symbole.

  • Elargissement de la bande de modulation.

D'autre part, la bande de fréquences allouée étant élargie, les phénomènes de fading sélectifs n'affectent pas simultanément toutes les sous porteuses, ce qui permet au récepteur de recalculer des informations évanouies pour peu que l'on ait introduit un peu de redondance dans les codes transmis.

Chaque sous-porteuse est modulée selon une des techniques présentée précédemment: n-PSK ou m-QAM, ce qui donne autant de variantes de systèmes de modulations (Fig 19 et 20 du précédent chapitre).

Modulation CDMA

fig23

Dans le cas d'une modulation CDMA (Coded Division Multiple Access), chaque utilisateur dispose d'un code qui permettra à son récepteur d'extraire le signal qui lui est destiné, de l'ensemble des signaux reçus. A l'émission, le signal destiné à un utilisateur est multiplié par un code code binaire PN (Pseudo Noise) qui lui est propre et de longueur importante vis à vis du symbole élémentaire initial, résultant en un élargissement de spectre du signal codé (la fréquence maximum correspond à l'inverse du temps-bit du code PN). Dans un canal de transmission les signaux d'un ensemble d'utilisateurs actifs simultanément sont multiplexés (additionnés), et le signal total peut être assimilé à un bruit blanc dans le canal (somme de signaux pseudo-aléatoires). Tous les codes PN ont été choisis pour être orthogonaux entre eux (la corrélation entre eux est nulle ou très faible), de telle sorte que le signal utile initial peut être extrait, au niveau du récepteur, par une opération d'auto-corrélation entre le signal reçu et le code PN de l'utilisateur.
Ce principe peut être très schématiquement illustré avec le cas d'une modulation DS-CDMA (Direct Sequence-CDMA) en supposant deux signaux, multipliés par leurs codes PN respectifs, additionnés, puis extraits par multiplication avec le code respectif de chacun (Fig 23).

Ce type de modulation permet d'allouer la totalité de la ressource en fréquence à chaque utilisateur actif: c'est le code PN qui permet de faire la discrimination, ou en d'autre termes, qui définit l'adresse de l'utilisateur. L'extraction se faisant par une opération de corrélation, d'éventuels signaux reçus d'une autre station que celle utilisée à un instant donné et sur la même fréquence ne perturbe que peu l'extraction (augmentation du bruit reçu), si bien que les fréquences sont réutilisables d'une cellule à l'autre du réseau cellulaire.

Pour comparaison, dans le cas du GSM, l'allocation de ressource entre les utilisateurs se fait par partage de fréquences (FDMA: Frequency Division Multiple Access) et par partage du temps (TDMA: Time Division Multiple Access). Les ressources ne sont pas optimisées :

  • ni en fréquence,

il existe des intervalles de garde entre les diverses fréquences, le duplex d'une communication fonctionnant sur deux fréquences différentes, environ la moitié de la ressource est utilisée à chaque instant. De plus, les cellules adjacentes du réseau cellulaire ne peuvent utiliser les mêmes fréquences.

  • ni en temps,

le temps entre les utilisateurs est partagé en "slots" (tranches de temps) de durée limitée. La transmission impose la présence de signaux d'adresse et de synchronisation à chaque envoi, et un intervalle de garde doit être ménagé entre les slots, si bien que la durée réelle pour les signaux utiles est réduite d'autant.

Autres types de modulations

Modulation UWB

fig24

La modulation UWB utilise un principe complètement différent, en ce sens qu'elle n'utilise pas de porteuse. Le signal est composé d'impulsions très brèves (impulsions de Dirac de quelques dizaines de picosecondes à quelques nanosecondes) successives qui peuvent être modulées en amplitude, position ou phase (si elles comportent plusieurs alternances). Ce procédé est utilisé dans des applications radar, et se développe pour la transmission de données. Le signal modulé possède les caractéristiques suivantes: une très faible puissance émise et un large spectre du fait qu'il utilise des impulsions de Dirac, ce qui donne une très faible densité de puissance. Il s'ensuit que le signal émis ressemble à un bruit blanc de faible puissance, et donc peu polluant vis à vis des autres signaux hertziens. Ce type de modulation est envisagé pour des applications sans fil sur des courtes distances (in door) à très haut débits (100Mb/s).

La démodulation doit être effectuée par une première opération de corrélation pour extraire le rythme (référence temporelle), puis une mesure d'amplitude, position ou phase de chaque impulsion par rapport au rythme récupéré.

Suite : partie 7 - Modulateur I/Q.

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Resolution conseillee:1024x768px - Première mise en ligne 15/01/2007