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Description d’un système de communication numérique :
Les systèmes de transmission numérique véhiculent de l’information sous forme numérique entre une source et un ou plusieurs destinataires, en utilisant un support physique comme le câble, la fibre optique ou encore la propagation sur un canal radioélectrique. La tâche du système de transmission est d’acheminer l’information de la source vers le destinataire avec le plus de fiabilité possible. Les caractéristiques de l’environnement de transmission sont très importantes et affectent directement la conception des systèmes de communication et leurs fonctions[3]. Pour réaliser une transmission numérique, Les signaux transportés peuvent être soit directement d’origine numérique, comme dans les réseaux de données, soit d’origine analogique (parole, image…) mais convertis sous une forme numérique. Lors du passage dans le canal physique de transmission, le signal est altéré par du bruit et des interférences, induisant parfois le récepteur en erreur. Afin d’augmenter la fiabilité de la transmission, un codeur de canal introduit, de manière parfaitement contrôlée, de la redondance dans la séquence d’information. Ce codage est encore appelé codage détecteur et correcteur d’erreurs puisque le récepteur connaît la loi de codage utilisée et est donc capable de détecter puis éventuellement corriger les données binaires erronées.
Cependant, cette amélioration de la qualité du message se fait au détriment du débit global de transmission, et si l’on se réfère de plus aux travaux conduits par Shannon sur la théorie de l’information, le codage de canal n’est possible que si le débit de la source binaire est inférieur à la capacité du canal de transmission. Afin d’éviter l’interception voire l’écoute d’une transmission par des personnes non autorisées, ou dans le but de faciliter la récupération de l’horloge en réception, il est également possible d’ajouter un processus d’embrouillage, par exemple grâce à l’utilisation d’une séquence binaire aléatoire. Pour transmettre le message numérique en tant qu’une séquence d’éléments binaires, il est nécessaire de le convertir en un signal analogique. Cette opération est généralement appelée «Modulation ». La modulation consiste à transmettre un ensemble de n éléments binaires issu du message. Cet ensemble d’éléments binaires correspond à un signal de durée, parmi signaux en fonction de la réalisation de n éléments binaires. La séquence binaire de débit avec la durée bit, est transformée en une séquence à M-aire états avec la rapidité de modulation exprimée en Bauds.
La rapidité de modulation peut s’exprimer par : Le bruit est considéré comme une perturbation aléatoire qui vient de l’extérieur et de l’intérieur du récepteur. Le bruit externe est causé par des systèmes industriels (moteur, ligne à haute tension, etc…) ou par les interférences des signaux des autres utilisateurs dans le cas d’un système multiutilisateurs. Le bruit thermique (bruit interne) vient de l’agitation thermique des électrons des dispositifs électroniques, dont la puissance est proportionnelle à la température. Le bruit considéré ici est modélisé par un processus aléatoire gaussien à moyenne nulle, stationnaire, indépendant du signal émis avec une densité. Le canal de transmission est le support physique utilisé pour envoyer l’information de l’émetteur au récepteur, et il diffère selon le type d’application envisagée. Ainsi, si le téléphone utilise le câble bifilaire, des applications plus gourmandes en débit privilégieront le câble coaxial, autorisant des débits de l’ordre du Mbit/s, ou mieux la fibre optique qui peut supporter des débits de plusieurs Gbit/s. Dans le cadre de notre travail, nous envisagerons plutôt les transmissions radiomobiles, qui utilisent la propagation des ondes électromagnétiques dans l’espace libre.
Quel que soit le support employé lors de la propagation du signal, celui-ci subit des dégradations d’origine diverse, comme les évanouissements propres à la propagation, le bruit thermique généré par les appareils électroniques, ou encore des perturbations électriques dues aux brouilleurs, parasites, à la foudre…[4]. A la réception d’un système de communications numériques, le démodulateur traite les formes d’onde en provenance du canal par des processus d’estimation et de quantification et les réduits à des séquences de nombres, qui représentent des estimations des symboles émis. Ces séquences sont ensuite décodées selon les opérations inverses de celles employées à l’émission, ce qui permet au destinataire de retrouver l’information binaire initiale. L’information binaire n’arrive pas toujours intacte au destinataire et les performances du système de transmission dépendent de très nombreux facteurs, parmi lesquels on peut citer les caractéristiques du canal, la puissance de l’émetteur, la forme d’onde utilisée ou encore le type de codage. Le bruit est le terme générique qui regroupe l’ensemble des perturbations subies par le signal lors de son passage dans le canal de transmission. Afin de mesurer ces perturbations, on appelle donc rapport signal sur bruit(RSB) le rapport entre la puissance totale du signal émis et la puissance du bruit au niveau du récepteur. La fréquence à laquelle les erreurs se produisent constitue une bonne indication de la fiabilité de la communication, pour la quantifier, on définit le taux d’erreur binaire (TEB) comme le rapport entre le nombre de bits erronés et le nombre total de bits émis et le terme de probabilité d’erreur binaire (PEB) indique une estimation de ce rapport[5].
Modulation d’amplitude en quadrature :
Les modulations précédentes ne constituent pas une solution satisfaisante pour utiliser efficacement l’énergie émise lorsque le nombre de point est grand. En effet, pour la modulation d’amplitude les points de la constellation sont sur une droite, et pour la modulation de phase les points sont sur un cercle. Or, la probabilité d’erreur est fonction de la distance minimale entre les points de la constellation, et la meilleure modulation est celle qui maximise cette distance pour une puissance moyenne donnée. Un choix plus rationnel est alors une modulation qui repartit les points uniformément dans le plan. Pour ce faire, on écrit le signal modulé sous la forme suivante : Le signal modulé est donc la somme de deux porteuses en quadratures, modulées en amplitude par les deux signaux et On considère généralement que les symboles et prennent respectivement leurs valeurs dans le même alphabet à M éléments donnant ainsi naissance à une modulation, possédant états. Chaque état est donc représenté par un couple ( , ) ou ce qui revient au même par un symbole complexe Dans le cas particulier mais très fréquemment ou s’écrit alors les représentent un mot de n bits et les représentent aussi un mot de bits. Le symbole complexe peut par conséquent représenter un mot de bits .L’intérêt de cette configuration est que le signal est alors obtenu par une combinaison de deux porteuses en quadrature modulées en amplitude par des symboles et indépendants. Cette modulation prend naturellement le nom de modulation d’amplitude en quadrature (notée QAM-Quadrature Amplitude Modulation) et si sa constellation comporte E états, on la note E-QAM. Généralement, les constellations E-QAM sont choisies avec les symboles et prenant leurs valeurs parmi ou d est une constante données et pair. On obtient alors une modulation à états et une constellation avec un contour carré dont font partie la 4-QAM, la 16-QAM et la 64-QAM[14]. La Figure ci-dessous représente la modulation 16 QAM
Accès multiple par répartition spatiale (SDMA. Space Division MultipleAccess) :
La SDMA est une technique suscitant un intérêt croissant depuis quelques années .Elle repose sur le partage de l’espace en plusieurs régions (par techniques de traitement d’antennes) permettant d’obtenir un partage spatial du spectre. Cette technique découle directement du concept d’antenne intelligente. Elle peut être utilisée avec toutes les méthodes d’accès conventionnelles (FDMA, TDMA et CDMA). Les modifications nécessaires sont limitées aux stations de base et ne concernent pas les mobiles, ce qui permet l’introduction de la SDMA dans les systèmes existants. La technique SDMA peut être considérée comme une technique de filtrage spatial obtenu en utilisant au niveau de la station de base une antenne adaptative. Une structure identique est adoptée à l’émission. Ce système est composé par une antenne réseau et par une DSP (digital Signal Processor) dont le rôle est de traiter en temps réel les signaux reçus et ceux à émettre au niveau des antennes. Les signaux obtenus au niveau de antennes du réseau sont envoyés à la DSP. En contexte radio-mobile, les diagrammes des antennes doivent être adaptés afin que le faisceau pointant vers un mobile puisse suivre ses mouvements. Cette technique porte le nom de SDMA adaptatif (A-SDMA pour Adaptive-SDMA).
Historique : Le début des années 60 a vu la postulation du principe de transmission parallèle d’information à travers un seul canal par Chang. Dans ce même article, il a démontré plusieurs lemmes et théorèmes concernant les paramètres de la modulation (forme d’onde, espace entre les sous-porteuses, etc.….) pour assurer l’orthogonalité. Dés lors, on commençait à parler de « Orthogonal Frequency Division Multiplexing » (OFDM) comme un type de modulation multi-porteuses avec des propriétés bien précises (l’orthogonalité). Quelques années plus tard, les performances théoriques d’un système de transmission utilisant une modulation OFDM, avec un intérêt particulier pour l’optimisation des instants d’échantillonnage en réception, ont été retrouvées par Gibb. Juste après, Saltzberg a analysé la performance de ces systèmes, et a conclu que l’efficacité des systèmes de transmissions parallèles doit se concentrer sur la réduction des interférences inter-canaux mieux que de se concentrer sur le perfectionnement d’un seul canal, ce qui a été prouvée après quelques années avec l’apparition des techniques DSP (Digital Signal Processing). La majorité des contributions apportées à la technique OFDM, ont été réalisées quand Weinstein et Ebert ont utilisé pour la première fois la transformé de Fourier discrète(DFT) afin de performer la modulation et la démodulation en bande de base, qui a augment largement l’efficacité de la modulation et de la démodulation. Ainsi, l’utilisation d’intervalle de garde a résolu le problème d’interférence entre symboles. Le premier brevet de modem OFDM a été déposé aux états unis en 1970. De nombreuses propositions de modems OFDM ont alors suivies. En 1979, on voyait apparaître un modem pour la bande HF comportant 48 sous-porteuses espacées de 45 Hz, utilisant une modulation 32-QAM et atteignant un débit de 9.6 Kbit/sec. Un modem utilisant une modulation 16-QAM a été proposé en 1981 par Hiro [17].
Remercîments.
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