Systèmes de Radio-communications “Très Large ?· tatouage de sons et d’images, téléphonie mobile)…

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    Laboratoire des Signaux et Systmes - Dpartement de Recherche en lectromagntismeLSS-DR, Suplec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette antoine.diet@lss.supelec.fr

    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    Systmes de Radio-communications Trs Large Bande,

    un thme de recherche transversal

    1 Laboratoire des Signaux et Systmes

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    3 Mesures d'Antennes Large Bande

    4 PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

    Laboratoire des Signaux et Systmes - Dpartement de Recherche en lectromagntismeLSS-DR, Suplec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette antoine.diet@lss.supelec.fr

    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    Prsentation du Laboratoire des Signaux et Systmes(UMR 8506)

    Tutelles : CNRS / Suplec / UPS 11

    DivisionSignaux

    DivisionSystmes

    DpartementEMG

    (Suplec)

    DivisionsOndes

    Dpartement de Recherche en

    lectromagntisme Systmes Signaux

    1 Laboratoire des Signaux et Systmes

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    Laboratoire des Signaux et Systmes - Dpartement de Recherche en lectromagntismeLSS-DR, Suplec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette antoine.diet@lss.supelec.fr

    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    Prsentation du Laboratoire des Signaux et Systmes(UMR 8506)

    Tutelles : CNRS / Suplec / UPS 11

    1 Laboratoire des Signaux et Systmes

    Thmes principaux dvelopps :

    - Prdiction et interpolation de signaux partiellement observs- Problmes inverses (interface de la physique, des probabilits, des signaux et des images)- Traitement du Signal (TDS) en Tlcommunications et outils pour le multimdia(galisation, traitement dantennes, sparation de sources, codage conjoint source-canal, tatouage de sons et dimages, tlphonie mobile)

    DivisionSignaux

    DivisionSystmes

    Thmes principaux dvelopps :

    - Lanalyse des systmes dynamiques non linaires (reprsentation de systmes discrets et chantillonns, passivit et stabilit)

    - Lestimation des variables dtat ou des paramtres dun systme (un modle dynamique non linaire + donnes exprimentales, analyses numriques des problmes inverses)

    - La commande des systmes continus, discrets, chantillonns ou hybrides (concepts de passivit, dchelles de temps multiples, de systmes en cascade et de platitude).

    - Les applications aux systmes mcaniques, lectromcaniques, lectriques, lectroniques, automobiles, biologiques, chimiques, hydrauliques.

    Laboratoire des Signaux et Systmes - Dpartement de Recherche en lectromagntismeLSS-DR, Suplec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette antoine.diet@lss.supelec.fr

    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    1 Laboratoire des Signaux et Systmes

    Prsentation du Laboratoire des Signaux et Systmes(UMR 8506)

    Tutelles : CNRS / Suplec / UPS 11

    DpartementEMG

    (Suplec)

    DivisionsOndes

    Thmes principaux dvelopps :

    - Les Systmes Rayonnants Complexes (structure du systme et interaction avec lenvironnement, modlisation et caractrisation exprimentale en champ proche ou lointain)

    - Compatibilit lectromagntique ou CEM dans le domaine automobile ou des tlcommunications (influence dun environnement perturbateur espace et temps sur un systme lectronique ou inversement)

    - Problmes Inverses des Ondes (caractriser les sources lorigine dun rayonnement mesur, caractrisation dobjets enfouis en milieu stratifi, modlisation numrique pour contrle non destructif, imagerie micro-ondes, lectromagntique ou acoustique dobjets immergs).

    Ces domaines varis couvrent des frquences allant du quasi-continu (ELF, courants de Foucault) la dizaine de GHz.

    Aux problmatiques dj identifies, s'ajoutent celles lies au dveloppement de nouveaux services sans fil et aux antennes

    qui leurs sont destines.

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    Laboratoire des Signaux et Systmes - Dpartement de Recherche en lectromagntismeLSS-DR, Suplec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette antoine.diet@lss.supelec.fr

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    Le Dpartement de Recherche en lectromagntisme (DR)

    - Chambre anchoque (base de mesures sphrique)- Chambre anchoque pour mesures en champsproche et lointain (base de mesures cylindriques)

    - Chambre rverbrante (brassage de modes)- Camra micro-ondes (2,45 GHz)- Mesures de DAS/SAR

    1 Laboratoire des Signaux et Systmes

    Prsentation du Laboratoire des Signaux et Systmes(UMR 8506)

    Tutelles : CNRS / Suplec / UPS 11

    DpartementEMG

    (Suplec)

    DivisionsOndes

    VNA/PNA0.1-20 GHz

    2 3 m

    1 2 m

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    Systmes de Radio-communications Trs Large Bande,

    un thme de recherche transversal

    1 Laboratoire des Signaux et Systmes

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    3 Mesures d'Antennes Large Bande

    4 PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Introduction sur l'ULB

    Ultra Large Bande ou "Ultra Wide Band" : Terme introduit dans la littrature en 1992/1993 par Withington, Fullerton, Wu et Scholtz concernant les systmes

    de communication talement de spectre

    C'est--dire

    Un systme pour lequel la bande passante occupe est volontairement (trs) suprieure la bande passante minimale ncessaire pour transmettre l'information

    (cf. travaux de Shannon)

    Avantages de l'talement de spectre :- Robustesse face aux brouilleurs (intentionnels ou non)- Camouflage de l'information (scurit)- Aspect multi-utilisateurs (les autres sont des brouilleurs)ceci ncessite l'orthogonalit

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    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    L'ULB et les systmes de communication large bande

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    B normalis

    C(B)

    ( )

    ( ) ( )

    =

    =

    +=

    =

    0

    20

    B

    02

    00

    N

    P 1.4427

    elog N

    PBC

    B.N

    P1B.logBC

    variance:N RSBB.N

    P

    Quel est l'avantage des systmes large bande ?- La capacit ? (c'est--dire un plus haut dbit)

    Il existe un dbit maximum pour

    une puissance du signal P donne et

    un bruit de variance N0 donn

    P/N0 = 5

    P/N0 = 2

    P/N0 = 1

    P/N0 = 1/2

    5.log2(e) = 7.2135

    2.log2(e) = 2.8854

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Quel est l'avantage des systmes large bande ?- La capacit ? (c'est--dire un plus haut dbit)- La robustesse aux interfrence (talement de spectre)

    L'ULB et les systmes de communication large bande

    Evanouissement frquentieldu au milieu ou aux multi-trajets

    Autre systme de communication

    bande troite

    Interfreursbloqueurs

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    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    L'talement de spectre

    Il existe trois mthodes d'talement de spectre :

    - talement temporel ou "time hopping TH"- talement frquentiel ou "frequency hopping FH"- talement par squences pseudo-alatoires ou "direct sequences DS"

    DS se combine trs aisment avec la rpartition multi-utilisateurs par code : CDMA

    temps

    temps

    Frquence

    2.F-code

    2.F-dataFacteur dtalement du spectre : SF (spreading factor)

    data

    code

    F

    FSF =

    code

    Donnes (data)

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Co-existence et interoprabilit

    L'ULB est dfini sur une bande de 3 10 GHz (pour simplifier) o beaucoup d'autres applications existent dj.

    Les systmes de communication ULB doivent donc s'inscrire dans une dmarche de co-existence et d'interoprabilit

    Gabarit spectral UWB indoor

    Frquence en GHz

    Gabarit spectral UWB outdoor

    Frquence en GHz

    Den

    sit

    de p

    uis s

    ance

    d

    mis

    sion

    (dB

    m/M

    Hz)

    ETSIFCC Part 15 limit ETSI

    FCC Part 15 limit

    802.11aWiFiGSM 1800

    / UMTS

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Co-existence et interoprabilit

    L'effet proche/lointain "Near/Far" est galement un problme. Comme pour tout les systmes de communication, on dfini une puissance moyenne et une puissance crte maximale

    ( ) ( )( ) ( ) dBm 34 - B20.log Pmax

    dBm B10.log41.3 Pmax

    MHzen dB 3-10crte

    MHzen dB 10-10moyenne

    =

    +=

    Ce sont des puissances trs faibles en pratique, ce qui amliore la co-existence.Dans certains cas o le signal n'est pas continu (impulsions) il faut dfinir la

    frquence de rptition fr qui doit tre infrieure 1 MHz

    L'ULB intgre aussi les aspects rseaux : couches PHY+MACPar exemple : liaison simplex interdite (10 sec de temps d'essai)

    Multiplexage TDMA ou CDMA avec accs au rseau parfois en DAA

    DAA : Detect And Avoid

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Les diffrentes approches pour l'utilisation du spectre ULB

    Choix d'une mthode de modulation de l'information o la bande passante est trs large (et o la puissance est limite).

    Transmission d'un signal continu multi-porteuses :Le multi-bandes (MB-)OFDM

    Transmission d'un signal discontinu :"Impulse Radio" IR

    Transmission d'un signal discontinu :"Impulse Radio" modul MB-IR

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Transmission multi-porteusesSur sous-bandes(MB-OFDM,)

    Transmission par impulsionssur toute la bande B

    (IR-UWB et ses drives)

    Transmission par impulsionsSur des sous-bandes de B

    (MB-IR-UWB, MB-OOK,)

    + techniquesd'talement de spectre si besoin

    (DS, FH, TH,)

    Les diffrentes approches pour l'utilisation du spectre ULB

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    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Dtails de l'approche impulsionnelle

    Codage de l'informationen impulsionnel :

    - Modulation bi-phase(inversion)

    - Modulation tout ou rien(OOK)

    - Modulation par position(PPM)

    - Impulsions modules par une porteuse

    - Impulsions orthogonales :Approche polynomiale

    Hermite, Legendre, Laguerre, Geguenbauer,

    Temps de rptition

    1 10

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    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    ULB haut dbit "versus" ULB bas dbit

    - L'approche MB-OFDM correspond mieux une transmission de l'information haut dbit faible porte. La puissance d'mission du signal est continue. Pour 128 porteuses modules en QPSK sur une bande de 528 MHzon peut atteindre en thorie 480 Mbits/sec...mais moins de 10 mtres.

    cette approche convient mieux aux applications du type MULTIMEDIA (W-USB?)ex : un CD de 700 Mb = 10 min 10 Mbits/sec et 20 sec 300 Mbits/sec

    - L'approche impulsionnelle correspond mieux une transmission trs faible consommation, longue porte. Compte tenu de la largeur des impulsions, on peut obtenir une prcision de localisation trs intressante :

    GPS : 10 m // ULB : 60 cm

    Il y a donc deux grands domaines d'applications : haut dbit (High Data Rate) et localisation (Low Data Rate)

    Ces deux applications vont conduire des ralisations de systmes de communication et des traitements

    de l'information trs diffrents. Le point commun reste bien videmment la ralisation et le traitement de

    donnes "large bande"

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    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Architecture des systmes de communications ULB

    Pour l'approche MB-OFDM, l'architecture de l'metteur et du rcepteur est assez classique, mais on doit faire face au problme de la largeur de bande dans le systme. Les performances

    de chacun des lments sont modifies de manire couvrir la bande ncessaire.

    +-

    +-

    Pour l'approche impulsionnelle, il faut repenser l'metteur et le rcepteur.- Comment mettre en forme le signal ? Comment dtecter le signal correctement ?- L'information est elle porte par la prsence du signal un moment donn, ou par sa forme ?

    Tout ceci conduit des choix technologiques diffrentsex. il existe (au moins) deux types de rcepteurs : auto-corrlation (cohrent) et nergie (non-cohrent)

    Traitement du signal

    Dtection de l'nergie

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    15me colloque Alain Bouyssy 15-16 fvrier 2007

    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    Le co-design

    L'architecture du systme doit prendre en compte les dfauts en frquence de chacun des lments de la chanemission/rception. Il s'agit en fait d'une influence non-linaire amplitude et phase en fonction de la frquence.

    Les antennes d'mission et de rception et le canal de propagation ont des caractristiques extrmementvariables en frquence. Il faut galement tenir compte des composants l'interaction : les PA (Power amplifier)

    et les LNA (Low Noise Amplifier). Une approche dite de co-design est ncessaire

    PA LNA

    - Gain (f)- Zout(f)- AM-AM (f,Pin)- AM-PM (f,Pin)

    - DDR (f,,)- (f,,)- Zin(f)

    - bruit (f)- statistiques(ex multitrajets,)

    - DDR (f,,)- (f,,)- heff (f)

    - Gain (f) et NF (f)- Zin(f)- AM-PM (f)

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    Systmes de Radio-communications Trs Large Bande,

    un thme de recherche transversal

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    2 Systmes de communications Ultra Large Bande

    3 Mesures d'Antennes Large Bande

    4 PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11

    Laboratoire des Signaux et Systmes - Dpartement de Recherche en lectromagntismeLSS-DR, Suplec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette antoine.diet@lss.supelec.fr

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