Etude et modélisation d’une liaison de données pour micro drone

Le contexte de ce rapport de stage est l’étude d’une transmission de données vidéo, codées JPEG, dans un environnement semi urbain. Le signal émis dans la bande Industrielle Scientifique et Médicale ISM à 2.4 GHz est altéré par des phénomènes de trajets multiples et de masquages.

Caractéristiques du flux vidéo à transmettre

Description de la charge utile vidéo

La charge utile vidéo embarquée sur le micro drone est constituée d’une caméra numérique, d’un étage de traitement de signal destiné à la compression JPEG des images et au codage canal et d’une partie émetteur. Les images de 640×480 pixels sont codées sur 8 bits (256 niveaux de gris). Elles sont ensuite compressées au format JPG. Voir [Bur, 03] pour une charge utile vidéo similaire développée à SUPAERO. La compression JPEG génère une perte d’informations du fait de l’utilisation d’une matrice de quantification. Les pertes se caractérisent par l’apparition de blocs sur l’image.

Taux de compression envisagés

Le systèmes permettra de fonctionner sur deux modes différents. Le premier, utilisé pour des phases d’approche de l’objectif, consistera en une résolution d’image faible et un taux de rafraîchissement élevé. Le second, utilisé pour l’observation de scènes plus détaillées, consistera en une résolution d’image plus élevée et un taux de rafraîchissement faible. Différents taux de compression ont été retenus [tableau 1]. Une marge supplémentaire de 10 % a été ajoutée pour tenir compte de l’efficacité de la compression qui dépend de la nature de l’image. En effet, pour une même matrice de quantification, plus l’entropie de l’image est élevée plus la compression est faible et plus la quantité de données à transmettre est importante.

Image Taux de compression Taille [Ko] +10% de marge [Ko]
Non compressée 1 307.2 –
A 33.5 9 10
B 20 15.3 16.9
C 10 30.7 33.8
D 8 38 42
Tableau 2. Taille de l’image en fonction du taux de compression.
Image Débit binaire à 14 i/s Débit binaire à 2 i/s
A 1.12 Mbits/s 160 Kbits/s
B 1.89 Mbits/s 270 Kbits/s
C 3.76 Mbits/s 540 Kbits/s
D 4.704 Mbits/s 672 Kbits/s
Tableau 3. Débit binaire en fonction du débit image

Le tableau 3 montre différents débits binaires en fonction du nombre d’images par secondes. Ces valeurs seront considérées tout au long du rapport. Les photos ci-dessous montrent les effets de la compression sur la capacité à distinguer des éléments d’information tel un visage, une personne une silhouette ou une inscription, « électronique ». La première image ci-dessous présente un exemple d’image non compressée. Les photos A à D correspondent respectivement à des facteurs de compression de 33.5, 20, 10 et 8.Le taux de compression de 33.5% dégrade fortement la qualité de l’image. Les inscription les plus petites deviennent illisibles. Cependant, l’image contient encore suffisamment de détails pour permettre au micro drone de naviguer. Sans surprise, les autres taux de compression donnent une qualité améliorée mais ils requièrent des débit plus important également. Le taux de compression le plus faible 8% sera utilisé pour fournir des images de haute qualité permettant de lire de petite inscriptions. En effet, on constate que sur la photo D le panneau portant l’inscription « électronique » est déchiffrable. La stratégie sera donc de fournir, pour un débit de 1.12 Mbits avant codage :
– 14 images par secondes à faible résolution [tableau1 A] ou
– 3.3 i/s images par secondes à haute résolution [tableau 1 D].

Caractéristiques du canal de propagation

Contexte de la transmission
La bande utilisée est la bande Industrielle Scientifique et Médicale ISM. C’est une bande d’environ 79 MHz utilisables entre 2.4 GHz et 2.485 GHz. Cette bande est utilisable sans licence et les standards de transmission comme Bluetooth ou WIFI sont libres d’accès. Le tableau national de répartition des fréquences de l’ANFR autorise une puissance d’émission de 10mW en extérieur et 25 mW en intérieur dans la bande ISM. La largeur de bande n’est pas imposée. (I.3.3.)

Modèle général du canal radiomobile

On répartit le processus d’évanouissement multiplicatif en trois types d’évanouissements. Les pertes de trajet (Path Loss), les trajets multiples (Multipath) et les masquages (Shadowing). Le bruit additif blanc gaussien (AWGN) est ensuite pris en compte. Les pertes de trajet en espace libre sont données par [Eq1], En communication mobiles terrestre l’atténuation a plutôt la forme n [ 2 …5]d distance émetteur récepteur. Les masquages varient plus rapidement que les pertes de trajet, avec des variations significatives sur des distances de l’ordre de la centaine de mètres et occasionnent des variations de l’ordre de 20 dB. La PDF du processus d’atténuation est log-normale, c’est à dire que l’atténuation mesurée en dB a une distribution normale. Les évanouissement multitrajets impliquent des variations plus rapides à l’échelle d’une demi longueur d’onde (6.25 cm à 2.4 GHz), ils occasionnent généralement des variations de l’ordre de 35 à 40 dB. Ils résultent de la création d’interférences constructives et destructives entre les multiples ondes atteignant le récepteur.

Modélisation des masquages

Les masquages induisent des variations lentes d’une échelle de 10 à 100m. L’écart type du processus de masquage -en dB- est appelé location variability σL et varie avec la fréquence fc, la hauteur de l’antenne et l’environnement. D’après [Saunders, 91], σL s’approxime par :
σL=0.65 (log Fc)2-1. 3log fc + A  ,A=5.2 en environnement urbain et 6.6 en zone semi-urbaine La distance de corrélation des masquages Rc indique la distance séparant deux récepteurs subissant un masquage de même nature. Cette distance augmente au fur et à mesure que l’on s’éloigne de l’émetteur. Rc=44m à 1.6km et Rc=112m à 4.8km) [Saunders, 91]. En effet lorsqu’on est près d’obstacles important comme des immeubles le profil de transmission varie plus vite qu’à longue distance. La figure ci dessous montre le générateur d’un tel processus de masquage avec a=exp[ -v.Ts/Rc ], avec v la vitesse du mobile et Ts le temps symbole.