Nathalie Thomas IRIT/ENSEEIHT …thomas.perso.enseeiht.fr/cours_transmissions_numeriques_Nathalie... · →Connaître les différentes éléments d'une chaîne de ... Modélisation

Introduction aux Télécommunications

Nathalie Thomas

IRIT/[email protected]

1

Département Sciences du Numérique, Première année

2017 - 2018

2

Définitions

Communication

Action de mettre en relation, en liaison, en contact, des choses.« (Dictionnaire Larousse)

Télécommunication« Télé »: à distance

« Télécommunications » : Transmission, émission ou réception d'informations par fil,

radioélectricité, optique, ou d'autres systèmes électromagnétiques." (Dictionnaire Larousse)

Communications analogiques/numériques → Communications analogiques : Information à transmettre définie à tout instant (temps

continu) par des valeurs réelles

→ Communications numériques : Information à transmettre définie à des instants discrets par

un nombre fini de valeurs (quantification)

→ Communications analogiques et numériques : le signal transmis est analogique.

Objectifs de la couche physique d’un système de communication numérique

Transmettre « vite » => notion de débit binaire

et « bien » => notion de taux d’erreur binaire

sous certaines contraintes <= canal de propagation.

Débits et taux d’erreur binaires souhaités fonction de l’application considérée.

Prix à payer ?

3

Réseaux de télécommunication

La couche physique d’un système de télécommunication a pour rôle de transformer

l’information binaire à transmettre en un signal capable de traverser « au mieux » le

support physique (canal de transmission) reliant émetteur et récepteur,

Couche Physique

Couche « réseaux »

Vers toujours plus de débit...

Quelques exemples de systèmes

WiFi

IEEE802.112Mbps

IEEE802.11b11 Mbps

802.11a et g54 Mbps

802.11n450 Mbps

ADSL, 8Mbps

V90, 56kbps

VDSL, 52Mbps

FTTH, 1Gbps

V23(Minitel), 1,2kps

Téléphonie fixe Ethernet

10 Gigabit

Ethernet

10 Gbps

Ethernet

10 Mbps

Fast

Ethernet

100 Mbps

Gigabit

Ethernet

1 Gbps

DVB-S

40 Mbps1994

DVB-S2

52 Mbps2005

DVB-S2X

70 Mbps2014

Netcomgroup-blog,fr

Altos 2010

Quelques exemples de systèmes

2G (GSM)

9,6kbps

2,5G (EDGE)

115kbps

3G (UMTS)

384 kbps

3G+ (HSDPA)

42 Mbps

4G (LTE Adv.)

1Gbps

Systèmes MobilesDiffusion par satellite

Internet des Objets

→ Peu couteux (service < 10 euros par an,

terminaux < 10 euros),

→ Basse consommation

→ Bas débits (qqs kbps)

→ Longue portée (> 10 km)

6

→ Donner un premier aperçu des enjeux et problèmes au niveau de la couche physique

des systèmes de communications,

→ Connaître les différentes éléments d'une chaîne de télécommunication numérique de

base et comprendre le rôle de chacun,

→ Etre capable d’implanter un modem optimisé pour transmettre une information

numérique sur canal AWGN,

→ Présenter les enseignements en communications numériques abordés dans les

options systèmes de télécommunication et réseaux de 2A.

Objectifs du cours

7

Introduction

→ Canal de transmission : impact, modélisation→ Eléments de la chaine de communication numérique→ Critères de performances

xDSL

Fibre optique

TV par câble

(DVB-C)

Canal de transmission : transmissions « filaires »

Courants porteurs en ligne (CPL)

Cuivre

Fibre

Coaxial8

TNT

(DVB-T et T2)

2G, 3G, 4G

(GSM, UMTS, LTE)

WiFi

(IEEE 802.11)

9

(propagation autour de 2.4 ou 5 GHz : bandes ISM et UNII)

(propagation autour de 470-862 MHz : bande UHF)(propagation en bande ISM 876-959 MHz et 1.71-1.88 GHz)

Canal de transmission : transmissions « sans fil »

Internet des objets (IoT)

(propagation en bande ISM 868-870 MHz)

Dans le desert

Pour diffuser la télévision (DVB-S, S2, SX)

Pour communiquer

avec les avions

Pour donner de l’internet aux

zones blanches (DVB-RCS)

En mer

En montagne

Propagation dans les bandes L : 1.4-1.6 GHz, C : 4-6GHz, Ku : 10.7-12.45 GHz

et Ka : 20-30 GHz

Canal de transmission : transmissions « sans fil » par satellite

- Atténuation du signal émis : absorption, diffusion due aux gaz et aux molécules d’eaudans l’atmosphère, aux nuages, à la pluie, effet de peau dans les paires torsadées de cuivre

- Un ou plusieurs trajets entre l’émetteur et le récepteur => canal non sélectif ou sélectif en fréquence,

- Communication fixe ou mobile => canal stationnaire ou non stationnaire (sélectivité temporelle)

- Bande passante limitée,

- Bruit→ Bruit externe = signaux reçus en plus du signal utile :

‒ Sources naturelles : atmosphère (orage, foudre), terre, ciel (soleil, voie lactée)‒ Sources artificielles : activité humaine, interférences avec d’autres utilisateurs

→ Bruit interne = dispositifs électroniques du récepteur : amplificateurs, antennes, etc.

Impact du canal de transmission

11

12

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

y(t) = α x(t - τ) + n(t)

Bruit, Supposé additif, blanc et Gaussien

Atténuation et retardintroduits par le canal x(t)

y(t)

(α , τ) , n(t)Line of Sight

(LOS)

|Hc(f)|

f

Arg(Hc(f))

f

Exemple de canal AWGN(Additive White Gaussian Noise)

Modélisation du canal de transmission


hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

- Modélisation du bruit

→ Blanc, de DSP = N0/2 quelle que soit la fréquence, avec N0=k(Te+Ti) • k = constante de Bolztmann• Te = température de bruit externe• Ti = température de bruit interne

→ Gaussien, de puissance σ2

→ Additif,

→ Ajouté en amont du récepteur, en supposant ensuite ses composants idéaux,

→ Une mesure de dégradation : le rapport signal sur bruit (SNR : Signal to Noise Ratio)

SNRdB = 10 log Psignal utile

Pbruit13

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)


Impact d’un canal AWGN : Effet de l’atténuation par absorption, diffusion (transmission DVB-S)

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

Signal transmis de type NRZ Signal bruité, SNRdB = 10 dB Signal bruité, SNRdB = 0 dB

Exemples :

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

Image reçue, SNRdB = 10 dBImage transmise Image reçue, SNRdB = 0 dB

BER = 0.0784BER = 2.38 10-6

15

SNRdB = 10 log Psignal utile

Pbruit


Impact d’un canal AWGN : effet du bruit

16

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

-BW BW

|Hc(f)|

f

Exemple de canal AWGN à bande limitée BW


y(t) = α x(t - τ) + n(t)

Bruit, Supposé additif, blanc et Gaussien

Atténuation et retardintroduits par le canal

BW BW

|Hc(f)|

f

En bande de base :

Sur fréquence porteuse :

17

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

Exemple de canal sélectif en fréquence (stationnaire)

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.510

-4

10-2

100

102

Normalized frequency

Channel transfer function: |Hc(f)|

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-4

-2

0

2

4

Normalized frequency

Channel phase response: Arg(Hc(f))

|Hc(f)|

Arg(Hc(f))

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9Channel Impulse responsehc(t)


Plafond

Bc : La bande de cohérence du canal est une mesure statistique de la bandede fréquences ur laquelle le canal peut-être considéré c omme “^plat”, ou, dans d’autres termes, la bande de fréquences maximum sur laquelle deuxfréquences du signal transmis sont atténuées de la même manière,

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

18

Transmitted image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 0.5 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the transmitted image (SRRC shaping)

Received image

100 200 300 400 500

100

200

300

400

500

0 0.5 110

-20

10-10

100

1010

PSD of the received image


Impact d’un canal sélectif en fréquence :déformation du signal transmis

19

hc(t)

n(t)

x(t) y(t)

Exemple de canal sélectif en fréquence non stationnaire


→ Cours de modélisation de canal en 2A parcours Systèmes de télécom et computer networks

→ Etalement Doppler

→ Temps de cohérence : 2):

Le temps de cohérence (T c) du canal est la durée pendant laquelle la réponse imp ulsionnelle du canal peut êtreconsidérée comme invariante,

20

Canal de transmission sans fil => Régulation des fréquences

(1) : Technologies de l’Information et de la Communication (télécommunications, internet, informatique, industrie de

l’audiovisuel)

- Selon les pays par des instances de régulation ou le ministère chargé des TIC (1)

Exemples :

→ en France : ARCEP (Autorité de Régulation des Communications Electroniques), ANRT (Agence

Nationale de Régulation des Fréquences), CSA (Conseil Supérieur de l’Audiovisuel)

→ Aux Etats-Unis : FCC (Federal Communications Commission)

→ Au Japon : MIC (Ministry of Internal Affairs and Communications )

- Collaborations entre états

Exemples :

→ ORECE : Organe des Régulateurs Européens des Communications Electroniques

→ NARUC : National Association of Regulatory Utility Commissioners (regulators of individual states)

aux Etats-Unis

→ ARTAC : Association des Régulateurs de Télécommunications de l’Afrique Centrale

- Au niveau mondial : Union Internationale des Télécommunications (UIT ou ITU)→ Chargée de la réglementation et de la planification des télécommunications dans le monde

→ 193 états membres et 700 membres associés du secteur des TIC.

→ Instance au sein de laquelle les Etats et le secteur privé se coordonnent

- Définition de bandes libres d’accès (sans licence, réglementation de la PIRE)→ Industrielle Scientifique et Médicale (ISM) : (902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz)

→ Unlicensed National Information Infrastructure (UNII) : 5 .15-5.25 GHz, 5 .25-5.35 GHz

→ UNII-3/ISM : 5.725-5.850 GHz

21

Canal de transmission partagé : Méthodes d’accès au support (par multiplexage)

Service 1Service 2Service 3

Service 3

Service 2

Service 1

TDMA FDMA

Se

rvic

e 1

Se

rvic

e 1

Se

rvic

e 2

Se

rvic

e 3

Se

rvic

e 2

Se

rvic

e 3

Exemple 1 : répartition (multiplexage)

en tempsExemple 2 : répartition en fréquence

Service 1

CDMA

Service 2Service 3

Service 3Service 2Service 1

Exemple 3 : répartition

par codes

Time Division

Multiple Access

Frequency Division

Multiple Access

Code Division

Multiple Access

MF-TDMA

MC-CDMA

→ Cours sur les méthodes d’accès en 2A et 3A parcours Systèmes de télécom et computer networks

Emetteur

Numérisation

Canal de Transmission

Signal analogique

Signal analogique abimé

Récepteur

Information binaire reçue : 0 1 0 1 0 1 1 …

CHAINE

DE

BASE

Signal analogique : son, image …

Chaine de communication numérique de base

Information binaire à transmettre : 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0

22

TEB =Nombre de bits erronés

Nombre de bits transmis

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0

0 1 0 1 0 1 1 1 1 1

TEB = 4/10 <1

23

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur

CHAINE

DE

BASE


Information binaire reçue : 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1



Débit binaire (bit rate) : Rb

Nombre de bits transmis par

seconde

Taux d’Erreur Binaire (TEB) :

Exemple DVB : BER<10-10, Rb 30 à 40 Mbps ~

24

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur


CHAINE

DE

BASE




t

V

- V

Exemple :

t

V

- V

SNR = 10 dB :

t

V

- V

SNR = 0 dB :

Signal analogique :

Signal analogique bruité :

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur

CHAINE

DE

BASE


Information binaire reçue : 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1



SNR

TEB

TEB = 0.0784

TEB = 2.38 10-6

La qualité de la transmission est améliorée :

Le critère de qualité d’une transmission numérique

est le taux d’erreur binaire , qui peut être très bas

même en présence de bruit sur le canal.

Bien sûr le taux d’erreur binaire est fonction du

SNR.

26

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur


CHAINE

DE

BASE


Information binaire à transmettre : 0 1 1 0 0 1 0 1


27

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur


CHAINE

DE

BASE




Prix à payer : la bande occupée augmente

lorsqu’on numérise les signaux

Heureusement il y a le codage source !


Le critère de qualité est le taux d’erreur binaire ,

qui peut être très bas même en présence de bruit

sur le canal. Bien sûr le taux d’erreur binaire est

fonction du SNR.

Exemple : numérisation de la téléphonie :Banalogique = 3.1 kHz

Bnumérique 64 kHz (Fe=8kHz, nb=8 bits) ~


Codage sourceE

M

E

T

T

E

U

R

Couche physique

Analog signal

Décodage source

R

E

C

E

P

T

E

U

R

Couche physique

28



Signal analogique



CHAINE

DE

BASE

Message à transmettre : EMMENE MOI A LA MER

E M Espace A N I O R L

4/19 4/19 4/19 2/19 1/19 1/19 1/19 1/19 1/19

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000

Codage binaire naturel :

9 caractères différents = > 4 bits par caractère (24=16)

19x4 = 76 bits à envoyer, exemple avec une transmission 2G (9,6 kbps) : 0,79 ms

Codage plus intelligent (Huffman) :

12x2+3x4+4x5 = 56 bits à envoyer, exemple avec une transmission 2G (9,6 kbps) : 0,58 ms

E M Espace A N I O R L

4/19 4/19 4/19 2/19 1/19 1/19 1/19 1/19 1/19

01 10 11 0000 0011 00100 00101 00010 00011

Gain : 26,32 %

Exemple de codage source : codage de Huffman

29→ Cours de théorie de l’information et de codage source en 2A et 3A parcours Systèmes de télécom

30

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur


CHAINE

DE

BASE











fonction du SNR.

31

Emetteur

Numérisation


Signal analogique


Récepteur


CHAINE

DE

BASE











fonction du SNR.

De nouvelles fonctions peuvent être utilisées,

telles que le codage canal qui permet de

diminuer le taux d’erreur binaire sans augmenter

la puissance d’émission.


Codage sourceE

M

E

T

T

E

U

R

Couche physique

Analog signal

Décodage source

R

E

C

E

P

T

E

U

R

Couche physique

32



Signal analogique



CHAINE

DE

BASE

Codage canal

Décodage canal

Couche physique

Couche physique

Exemple de codage canal

information binaire à transmettre :

0 1 1 0

Codage canal

Information binaire codée :

0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

Canal de transmission

Modulation

Démodulation

Signal analogique


Information binaire reçue décodée :

0 0 1 1

Décodage canal

Information binaire codée abimée :

0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1

Ajout de redondance

Rendement = 1/3

Capacité de correction :

1 erreur

Capacité de détection :

2 erreurs

33

E

M

E

T

T

E

U

R

R

E

C

E

P

T

E

U

R

→ Cours de codage canal de base en 2A parcours Systèmes de télécom et réseaux,

→ Cours de codage canal avancé en 3A parcours Systèmes de télécom


Codage sourceE

M

E

T

T

E

U

R

Couche physique

Analog signal

Décodage source

R

E

C

E

P

T

E

U

R

Couche physique

34



Signal analogique



CHAINE

DE

BASE

Codage canal

Décodage canal

Modulation

Démodulation

→ Modulations de base : 1A,

→ Modulations avancées (canaux sélectifs, modulations non linéaires) : 2A et 3A «Systèmes de télécom »

Information binaire à transmettre :

0 1 1 0

Codage canal

Information binaire codée :

0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

Modulation

Bande de base

Signal analogique

Exemple de Modulation

Signal numérique

tV

-V

( Transposition

de fréquence)

N

U

M

E

R

I

Q

U

E

M

O

D

U

L

A

T

E

U

R

Convertisseur analogique numérique

Modulation

Exemple : signal NRZ

Information binaire reçue :

0 0 1 1

Décodage canal

Information binaire codée abimée :

0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1

Démodulation

Bande de base


Signal numérique abimé

tV

-V

( Retour en

bande de base)

Démodulation


0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

SNR=0 dB

TEB=2/4

35

E

M

E

T

T

E

U

R

R

E

C

E

P

T

E

U

R

Couche physique Couche physique

Convertisseur numérique analogique

N

U

M

E

R

I

Q

U

E

D

E

M

O

D

U

L

A

T

E

U

R


Signal analogique

CHAINE

DE

BASE

COMPLETE

Codage canal

Codage source

E

M

E

T

T

E

U

R

Couche Physique

Modulation

Information binaire à transmettre : 0 1 1 0 0 1 0 …


Décodage source

R

E

C

E

P

T

E

U

R

Démodulation

Décodage canal


CNA

CAN


Synchronization

!! Nécessité de synchronisation !!

1ier

point d’accès

2nd

point d’accès

3rème

point d’accès

Signal bande de base :Spectre autour de la fréquence 0

0

Bande ISM

tV

-V

Information binaire à transmettre :

0 1 1 0

Signal:

Ts : durée symbole

Début du signal

- Sur l’horloge

- Sur la porteuse (pour les transmissions sur fréquence porteuse)

Signal sur porteuse :Spectre autour de la fréquence porteuse

Erreur de fréquence porteuse

Exemple WiFi(IEEE802.11 b et g) :

Retour en bande de base 37

→ Cours sur les récepteurs numériques (base et avancé) en 2A et 3A parcours Systèmes de télécom

Critères de performance

- Transmettre un certain débit binaire Rb

= nombre de bits à transmettre par seconde

- Obtenir un certain Taux d’erreur Binaire (TEB)

La chaine de transmission est conçue pour : Cela va nécessiter :

- Une certaine bande passante dans le canal

de transmission.

- Un certain SNR à l’entrée du récepteur => une certaine

puissance d’émission.

TEB = <1Nombre de bits erronés

Nombre de bits transmis38

Emetteur


Signal analogique


Récepteur


CHAINE

DE

BASE


Critères de performance




La chaine de transmission est conçue pour : Cela va nécessiter :


de transmission.


puissance d’émission.TEB = <1

Nombre de bits erronés

Nombre de bits transmis39

Efficacité spectrale : Bande B nécessaire pour transmettre le débit

binaire souhaité Rb

Efficacité en puissance : SNR par bit nécessaire à l’entrée du

récepteur pour atteindre le TEB souhaité

Deux critères principaux de performance de la chaine de transmission


Signal analogique

CHAINE

DE

BASE

COMPLETE

Codage canal

Codage source

E

M

E

T

T

E

U

R

Couche Physique

Modulation

Information binaire à transmettre : 0 1 1 0 0 1 0 …


Décodage source

R

E

C

E

P

T

E

U

R

Démodulation

Décodage canalCouche Physique


Synchronization

CNA

CAN

Débit binaire Rb

Bande de transmission B nécessaire

SNR nécessairepar bit

Taux d’erreur binaire (TEB)

Efficacité spectrale : Bande B nécessaire pour passer le

débit Rb souhaité

Efficacité en puissance : SNR par bit nécessaire à l’entrée

du récepteur pour atteindre le TEB souhaité

40


Rb SNRB

DVB-S : diffusion de contenu multi-média par satellite

Transmission QEF (Quasi Error Free transmission):

TEB < 10 -10

41



La chaine de transmission est conçue pour :


Cela va nécessiter :


de transmission.


puissance d’émission.TEB = <1

Nombre de bits erronés

Nombre de bits transmis

Chaine de communication numérique de base : exemple

Modulateur/démodulateur bande de base :optimisation conjointe

→ Génération du signal, Efficacité spectrale → Interférence entre symboles => Critère de Nyquist→ Impact du bruit => Filtrage adapté, → Calcul du TEB, Efficacité en puissance

42

Information binaire :

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0Modulation

bande de base

Modulation/Démodulation numérique en bande de base

x(t)Information binaire

reçue :

0 1 0 1 0 1 1 1 1 1

Démodulation

bande de base

Canal de

transmission

hc(t)

n(t)

r(t)

Débit binaire Rb =1/Tb TEB

SNR par bit: Eb/N0 ?

Bande occupée B ?

Signal bande de base :Spectre autour de la fréquence 0

0

Sx(f)

Critères de performance :

→ Efficacité spectrale : bande B nécessaire pour transmettre le débit Rb souhaité.

→ Efficacité en puissance : SNR par bit souhaité à l’entrée du récepteur pour atteindre le TEB souhaité.

→ Robustesse vis-à-vis des non linéarités ; le signal est-il à enveloppe constante ?43

→ Codage élementaire à symboles indépendants

→ Codage par niveau :→ NRZ unipolaire :

→ NRZ polaire :

→ Codage par transition→Biphase :

→ Codage bloc à symboles indépendants

→ Codage par niveau :→ NRZ à 4 niveaux :

1 0 1 0 1 1 0 0 1 1

Ts

t

+V

0

t

+V0

-V

t

+V

0-V

Modulation numérique en bande de baseQuelques exemples de signaux

Ts=2Tb

t

+3V

0-V

+V

-3V 44


0 1 1 0 0 1 0 1 1 0Modulation

bande de base

Débit binaireRb =1/Tb

Exemple (NRZ, M=4):

t

-3-1

+1+3

…

h (t)

t

+1

sT

200 250 300 350-4

-2

0

2

Débit binaire (bits/s)Débit symbole

(symboles/s ou bauds)

Modélisation générale

Information binaire

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0

Symboles M-aires Filtre de mise

en forme h(t)Mapping

Modulateur bande de base

x(t)

Débit symbole = nombre de symboles

transmis par seconde :

M=nombre de symboles possibles

Bande occupée B ?

sT 45

Modulation numérique en bande de base

Exemple en Matlab

Génération d’un NRZ polaire

%Durée symbole en nombre d’échantillons

Ts=4;

%Nombre de bits générés

nb_bits=100;

%Génération des bits

bits=randint(1,nb_bits);

%Mapping : 0->-1, 1->1

Symboles=2*bits-1;

%Génération de la suite de Diracs pondérés

Suite_diracs=kron(Symboles, [1 zeros(1,Ts-1)]);

%Réponse impulsionnelle du filtre de mise en forme (NRZ)

h=ones(1,Ts)

%Filtrage de mise en forme

y=filter(h,1,Suite_diracs);

%Affichage du signal

plot(y);

axis([0 nb_bits-1 -1.5 1.5]);

46


où : ; ;

Signal

Cyclostationnaire

f

Exemple (NRZ, M=4):

Modulation PAM (Pulse Amplitude Modulation) d’ordre M (M-PAM) :

Modulation linéaire en bande de base = DSP du signal transmis autour de la fréquence 0

47


0 1 1 0 0 1 0 1 1 0Modulation

bande de base

Débit binaireRb =1/Tb

Information binaire

0 1 1 0 0 1 0 1 1 0




x(t)

Bande occupée B ?

Modélisation générale


Quelques exemples de spectres

→ Mise en forme NRZ à 2 niveaux (forme d’onde du GPS)

x(t)

TS

h (t)

+1

t

1/TS 2/TS 3/TS …

-13dB-18dB

f 48


Indépendants et équiprobables

→ Mise en forme Biphase ou Manchester (forme d’onde Ethernet : IEEE802.3)

x(t)

h(t)

TS

+1

-1t

2/TS4/TS …-4/TS -2/TS

f

-13dB

… 49



Indépendants et équiprobables

→ Mise en forme en racine de cosinus surélevé (forme d’onde du DVB-C et DVB-S)

x(t)

TS

h(t)

- TSt

50



Efficacité spectrale

→ Définition de la bande occupée par le signal transmis :

▪Définition 1 : bande de fréquence B concentrant x % de l’énergie du signal (valeurstypiques : 95 à 99 %)

▪ Définition 2 : bande de fréquence B au délà de laquelle l’atténuation minimale estde x dB (valeurs typiques : 20 à 30 dB)

→ Efficacité spectrale (en bits/s/Hz):

- x dB

B

51

Symboles M-aires


Démodulation bande de baseOptimisation conjointe avec le modulateur

Information

binaire

0 1 1 0 0 1




x(t)

Information

binaire

reçue

0 1 0 1 0 1

Filtre de

réception hr(t)Demapping

Démodulateur bande de base

r(t)Décisions

Echantillonneur

Canal de

transmissionhc(t)

n(t)

Décisions

ISI aux instants d’échantillonnage

Bruit(filtré et échantillonné)

Termed’intérêt

(Inter Symbol Interference)52

→ Visualisation des interférences à l’entrée de l’échantillonneur : exemple

t0 2TS

t

TS

-1

0

1

TS

1

Interférence (ISI)Sur le symbole suivant

Instants pour lesquels ISI=0

-1 +1 -1 -1 +1 +1 -1

Sur le signal :Sur le diagramme

de l’oeil :

TFavec

→ Suppression des interférences à t0+mTs : critère de Nyquist

▪ Expression temporelle :

▪ Expression fréquentielle :

53


→ Suppression des interference à t0+mTs : critère de Nyquist dans le domaine fréquentiel

▪ Exemple

▪ Bande de Nyquist

f

……

f

……

(Débit symbole maximum sans apparition d’interférences aux instants de décision)

54


Bande de Nyquist

→ Exemple de filtre de Nyquist : filtre en cosinus surélevé (raised cosine filter, RCF)

55


Valeurs typiques de roll off : α=0.22 (UMTS), α=0.35 (DVB-S), α=0.15 (DVB-C) 56



t0 t0 t0

αe = αr= 1

Quelques diagrammes de l’oeil sans bruit réalisés sur 2Ts

Sans bruit,

Deux filtres SRRCF (Square Root Raised

Cosine Filter) de roll off différents à

l’émission et à la réception :

αe = αr= 0.35 αe = αr= 0

ISI

57



Décisions

ISI aux instants d’échantillonnage

Bruit(filtré et

échantillonné)

Termed’intérêt

(Inter Symbol Interference)

→ Suppression des interference à t0+mTs: critère de Nyquist

Filtre adaptéTF-1

→ Maximisation du SNR à t0+mTs: filtrage adapté (à la forme d’onde reçue)

Bruit filtré et échantillonné :

wm, variance σ2

Terme d’intérêt

( Inégalité de Cauchy-Schwarz : , égalité pour )

pour

58


Maximiser ⬄ Maximiser

Décisions sur les symboles

→ Règle de décision : Maximum A Posteriori

Cas binaire :

Critère de Nyquist respecté :

Détecteur à seuil (Threshold detector or slicer)

Cas 4-aire :

Pour des symboles équiprobables

59

Démodulation bande de base

Transmission M-PAM

→ Taux d’erreur symbole (TES)

▪ Cas binaire :

▪ Cas M-aire :

Obtenu pour une modulation M-PAM (Bande de base), dans un canal de Nyquist, avec

filtrage adapté.

Une erreur symbole = 2 bits erronnés

Un symbole erronné = 1 bit erronné

Mapping en binaire « Naturel »Mapping de GRAY

P1>>P2

Filtrage adapté

→ Taux d’erreur binaire (TEB): optimisation du Mapping

Dmin

Exemple pour V=1, N0=10-3 V2/Hz, Rb=1kbps:

60

Performances

Filtrage adapté

Transmission M-PAM

→ TEB = f(Eb/N0) pour les transmissions M-PAM

Résultats obtenus pour une modulation bande de base M-aire (M-PAM), dans un canal de

Nyquist, avec filtrage adapté et mapping de Gray

TEB0

Efficacité en puissance Efficacité spectrale

Efficacité en puissance

61

Modulations linéaires sur fréquence porteuse :

→Modulations à une ou deux dimensions, → Enveloppe complexe associée au signal modulé, → Chaine passe-bas équivalente,→ Performances

L’enveloppe complexe associée au signal transmis dépend linéairementdu message

62

Modulation

bande de base

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseMono-dimensionnelles

Signal bande de base :DSP autour de la fréquence 0

0

Transposition

de fréquence

Démodulationcohérente

Retour en bande de

base

Passe

bas

Signal sur fréquence porteuse :DSP autour de la fréquence porteuse f p

fp

M-ASK (Amplitude Shift Keying)

Information

binaire :

0 1 1 0 0

Démodulation

bande de base

Information binaire

reçue:

0 0 1 0 1

Transposition de

fréquence

Retour en

bande base

63

M-ASK (Amplitude Shift Keying)

Exemple : 4-ASK, mise en forme rectangulaire

fp-fp

f

Signal modulé sur fp :

f64

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseMono-dimensionnelles

Modulation

Bande de base

Transposition

de fréquence

Information

binaire :

1 0 1 1 0 0

+

-

Démodulation

Bande de base

Retour en bande

base

Information

binaire :

1 0 1 1 0 0 Démodulation

bande de base

Passe

bas

Démodulation cohérente

Voies orthogonales65

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseBi-dimensionnelles

Modulation

Bande de base

0 1 0

1 1 0

Passe

bas

Modulation

Bande de baseBinary

information:

0 1 1 0 0 Modulation

Bande de base

I(t)

Composante en phase

(In phase)

Q(t)

Composante en Quadrature

Enveloppe complexe associée à x(t)

Transposition

de fréquence

+

-

66

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseDéfinition de l’enveloppe complexe associée au signal modulé

Modulation

Bande de base

Transposition

De fréquence


0 1 1 0 0Modulation

Bande de base

+

-

h (t)

Enveloppe complexeassociée à x(t):

Symboles complexes

Bits Mapping

Modulation bande de base avec symboles complexesTransposition de

fréquence

67

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseUtilisation de l’enveloppe complexe associée au signal modulé

h (t)

Enveloppe complexeAssociée à x(t):

Symboles complexes

Bits Mapping

Génération d’un message complexe en bande de baseTransposition de

fréquence

→ La DSP du signal modulé sur porteuse :

est obtenue à partir de la DSP de son enveloppe complexe associée :

→Mais aussi :

Ré-utilisation des résultats

obtenus en bande de base

68


BitsModulation bande de

base complexe

Transposition de

fréquence

Retour en bande

de base

j

Utilisation de fréquences

d’échantillonnage plus bassesCanal complexe

passe-bas équivalent

Démodulation bande

de base complexeBits

69


Passe

bas

Passe

bas

h (t)

Enveloppe complexeassociée à x(t):

Symbols complexes

Bits Mapping

Modulation bande de base avec symboles complexesTransposition de

fréquence

→ ak and bk:: symboles M-aires indépendants

M-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) carrée

→

M-PSK (Phase Shift Keying)

70

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseDeux grandes classes de modulations bi-dimensionnelles

ak

bk

0 1 3 5 7 …… -7 -5 -3 -1

1

3

5

7

...

-7

-5

-3

-1

...

ak

bk

Représentation des symboles dk possibles dans le plan (ak, bk) = « constellation » associée à

la modulation

Constellations QAM

Efficaces en puissance

(DVB-C, DVB-T, xDSL)

Constellations PSK

Robustes aux non linéairités

(DVB-S)

Modulations hybrides : APSK

(DVB-S2, DVB-S2X)

71

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseConstellation

→ Modulations linéaires bi-dimensionnelles : M-QAM

et indépendants

Exemple : 4-QAM ou QPSK (DVB-S)

I(t) Q(t)

x(t)

72

Modulations Linéaires sur fréquence porteuseExemples

Exemple : 16-QAM (DVB-C)

x(t)

* *0111

*0110

0101

*0100

+1 +3

*0010

*0011

*0000

*0001

-3 -1*

1110

*1111

*

1101

*1100

-1

-3

+3

+1

*1010

*1011

*1000

*1001

ak

bk

I(t) Q(t)

73

→ Modulations linéaires bi-dimensionnelles : M-QAM

et indépendants


et liés

Exemple : 8-PSK (DVB-S2)

x(t)

I(t) Q(t)

Zoom

74


→ Modulations linéaires bi-dimensionnelles : M-PSK

→ Modulations hybrides : M-APSK (DVB-S2)

16-QAM

32-APSK (4-12-16 APSK)

M-APSK

16-APSK (4-12 APSK)

ak

* *0111

*0110

0101

*0100

+1 +3

*0010

*0011

*0000

*0001

-3 -1*

1110

*1111

*

1101

*1100

-1

-3

+3

+1

*1010

*1011

*1000

*1001

75


→ Modulations hiérarchiques : DVB-T et T2, DVB-H, DVB-S2, DVB-SX

Exemple 1 : 16-QAM hiérarchique (DVB-T, T2, H)

Internalinterleaver

Mapping

I

Q

HP

BP

* *0111

*0110

0101

*0100

+2 +4

*0010

*0011

*0000

*0001

-4 -2

*

1110

*1111

*

1101

*1100

-4

-2

+4

+2

*1010

*1011

*1000

*1001

I

Q

Exemple 2 : 8-PSK hiérarchique (DVB-S2, SX)

76


Enveloppe complexe

associée à :

h (t)

Symboles complexes

Bits Mapping


fréquence

→ M-ASK :

→ M-QAM :

→ M-PSK :

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseEmission

77

j

Bits Receiver filter

hr(t)Demapping


Décisions

Echantillonnage

Retour en bande

de base

M-ASK :

M-QAM :

M-PSK :

j

78

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseRéception

Passe

bas

Passe

bas

Retour en bande

de base

jBits

h (t)

Symboles complexes

Bits Mapping


fréquence

Canal de

transmissionhc(t)

n(t)

Filtre de

réception

hr(t)Demapping


Décisions

EchantillonnageFiltre

Passe

bande

Fe > 2 Fmax

Fmax = 2fp +Be

Exemple : bandes utilisées par les systèmes de télécommunication par satellite :

L: 1.4-1.6 GHz, C: 4-6 GHz, Ku: 10.70-12.75 GHz, Ka: 20-30 GHz.

79

Passe

bas

Passe

bas

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseChaine passe-bas équivalente : Intérêt

(Bande Be)

Enveloppe complexe

associée à :

Retour en bande

de base

jBits

h (t)

Symboles complexes

Bits Mapping


fréquence

Filtre de

réception

hr(t)Demapping


Décisions

EchantillonnageFiltre

Passe

bande

Fmax = Be

80

Passe

bas

Passe

bas

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseChaine passe-bas équivalente : Construction

Utilisation de fréquences

d’échantillonnage plus basses

Canal complexe

passe-bas équivalent

(Bande Be)

Enveloppe complexe

associée à :

Canal de

transmissionhc(t)

n(t)

ffp-fp

2

ffp-fp

1

(note: le canal est supposé idéal dans la figure)

→ Enveloppe complexe associée au canal passe-bande :

81

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseChaine passe-bas équivalente : canal passe-bas équivalent

Canal

passe-bas

équivalent

HBPF(f)

f

N0

f2

N02

Sn(f)

-fp fp

fp-fp

2N0

ffp-fp

→ Filtrage passe-bande :

→ Enveloppe complexe associée au bruit filtré :

82

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseChaine passe-bas équivalente : canal passe-bas équivalent

Canal passe-bas

équivalent

Downconversion

j

h (t)Bits Mapping

Transposition de

fréquence

Canal passe-bas

équivalent

Enveloppe complexe

associée à

associated to :

Symboles complexes

83

Passe

bas

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseChaine passe-bas équivalente Construction

Génération d’un message complexe en bande de base

Bits

Filtre de

réception

hr(t)Demapping


Décisions

Echantillonnage

Passe

bas

Passe

bande

h (t)Bits Mapping

Canal passe-bas

équivalent

Les calculs de TES en bande de base peuvent être ré-utilisés

Enveloppe complexe

associée à

associated to :

Symboles complexes

84

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseChaine passe-bas équivalente

Génération d’un message complexe en bande de base

Bits

Filtre de

réception

hr(t)Demapping


Décisions

Echantillonnage

Filtrage adapté

Nyquist à respecter sur :

hr(t)h (t)Bits MappingDemapping

⬄ deux chaines - PAM indépendantes

Mais !! Es = paramètre physique = energie symbole moyenne à l’entrée du récepteur (M symboles dk) !!

Bits

hr(t)h (t)Bits Mapping Demapping Bits

→ M-ASK

→ M-QAM carrée

→ M-PSK

85

Modulation Linéaire sur fréquence porteusePerformances (Hypothèses : Nyquist + Filtrage adapté)

Modulation Linéaire sur fréquence porteuseComparaison des TEBs pour les M-QAM et les M-PSK

TEB0

efficacité en puissance pour PSK

Même efficacité spectrale

PSK

QAM

86

Exemple de couche physique sur canal AWGN :

Satellite Digital Video Broadcasting : DVB-S (1994) e t DVB-S2 (2005)

87

Mux Adaptation

and energy

dispersal

Outer

codeInterleaver Mapper

Shaping

filter

Physical

Interface

Video Coder

Audio Coder

Data Coder

Source coding and multiplexing

ES PES

Program 1

Video Coder

Audio Coder

Data Coder

ES PES

Program N

…

PCRSTC 1

PCRSTC N

Program Information

Transport Stream

Reed Solomon

RS(204,188, t=8)

Forney Convolutionnal

InterleavingQPSK SRRCF

α = 0.35

Génération du train

transport

(MPEG-2 System)

Inner

code

Convolutional

Code (7,1/2)

To RF

Satellite

Channel

Couche Physique

88

Satellite Digital Video Broadcasting : DVB-SCouche physique

Une transmission TV

numérique doit être « Quasi

Error Free » (QEF) : TEB < 10-10

Débits

binaires

Mux Adaptation

and energy

dispersal

Video Coder

Audio Coder

Data Coder

Codage source et multiplexage

ES PES

Program 1

Video Coder

Audio Coder

Data Coder

ES PES

Program N

…

PCRSTC 1

PCRSTC N

Program Information

Train transport


Uniformisation

du spectre

Exemple sur une image

DSP du signal associé sans

embrouillage

DSP du signal associé après

embrouillage

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.510

-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

104

Fréquences normalisées

DS

P

Partie positive de la DSP du signal émis

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.510

-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

102

Fréquences normalisées

DS

P

Partie positive de la DSP du signal émis

Mux Adaptation

and energy

dispersal

Outer

codeInterleaver

Video Coder

Audio Coder

Data Coder


ES PES

Program 1

Video Coder

Audio Coder

Data Coder

ES PES

Program N

…

PCRSTC 1

PCRSTC N

Program Information

Train transport

Reed Solomon

RS(204,188, t=8)


Interleaving

Inner

code

Convolutional

code

(7,1/2)

Une transmission TV

numérique doit être « Quasi

Error Free » (QEF) : TEB < 10-10


Codage canal

-4 -3 -2 -1 0 1 210

-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/N0 (dB)

TE

B

TEB théorique non codé

TEB simulé non codé

TEB simulé, codage convolutifTEB simulé, codes concaténés sans entrelaceur

TEB simulé, codes concaténés avec entrelaceur

Mux Adaptation

and energy

dispersal

Outer

codeInterleaver Mapper

Shaping

filter

Physical

Interface

Video Coder

Audio Coder

Data Coder


ES PES

Program 1

Video Coder

Audio Coder

Data Coder

ES PES

Program N

…

PCRSTC 1

PCRSTC N

Program Information

Train transport

Reed Solomon

RS(204,188, t=8)


InterleavingQPSK SRRCF

α = 0.35

Inner

code

Convolutional

code

(7,1/2)

To RF

Satellite

Channel

Canal AWGN

Avec présence de non linéarités


Modulation

)(1fpour

pour

pour

N

+>

+≤≤−

−+

−<

=

α

ααα

π

α

f

fffFf

f

ff

fH NNN

N

N

0

)1()1(2

sin2

1

2

1

)1(1

)(

2/1

Satellite Digital Video BroadcastingEvolution du DVB-S : le DVB-S2

• Codage LDPC

• Nouveaux formats de modulation : 8PSK, 8-PSK

hiérarchique, 16 et 32 APSK

• Beaucoup de configurations possibles :

• QPSK, ¼, 1/3, 2/5 ; QPSK, ½ , 3/5, 2/3, ¾, 4/5,

5/6, 8/9, 9/10

• 8PSK, 3/5, 2/3, ¾, 5/6, 8/9, 9/10

• 16APSK, 2/3, ¾, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10

• 32APSK ¾, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10

• Mise en forme SRRCF, α=0.35, 0.25, 0.2

• CCM (Constant coding and modulation), VCM

(Variable coding and modulation) ou ACM

(Adaptative coding and modulation)

Hierarchical 8PSK 92

References

→ Introduction aux communications numériques, M. Joindot, A. Glavieux, Dunod

→ Eléments de communications numériques, J.C. Bic, D. Duponteil, J.C.Imbeaux, Dunod

→ Digital Communications, J. G. Proakis, Mac Graw Hill Book Cie

→ Telecommunications system engineering, Lindsay and Simon, Prentice Hall

→ Digital communication by satellite, J.J. Spilker, Prentice Hall

→ Digital Video Broadcasting (DVB): Framing structure, channel coding and modulation for 11/12

GHz satellite services, norme ETSI EN 300 421.

→ Digital Video Broadcasting (DVB): User guidelines for the second generation system for

broadcasting, interactive services, news gathering and other broadband satellite applications (DVB-

S2), norme ETSI EN 102 376.

93

Documents

Nathalie Thomas IRIT/ENSEEIHT …thomas.perso.enseeiht.fr/cours_transmissions_numeriques_Nathalie... · →Connaître les différentes éléments d'une chaîne de ... Modélisation