I.3 Un premier miroir ` a retournement temporel dans les domaine des micro-ondes
I.3.3 Dispositif exp´ erimental et premiers essais
Le premier dispositif exp´erimental de miroir `a retournement temporel a ´et´e r´ealis´e au tout d´ebut de cette th`ese, avec un mat´eriel simple et bon march´e. Le choix s’est port´e naturellement sur des ´emetteurs/r´ecepteurs utilis´es dans les r´eseaux locaux, fonctionnant dans la gamme de fr´equence des syst`emes WIFI. L’int´erˆet de ces cartes est que la fr´equence porteuse est assez ´elev´ee, 2.45 GHz, sans que le reste des ´el´ements mis en jeu soient tr`es sophistiqu´es. En effet, la largeur de la bande passante th´eorique de ces cartes est de 10 MHz et la fr´equence porteuse est g´en´er´ee directement en interne. La figure I.16 montre le dispositif qui a ´et´e construit et dont nous allons expliciter les diff´erents ´el´ements.
Horloge AD9852 RD0310 Antenne A Générateur programmable 2 voies Iin Qin RD0310 Antenne B Oscilloscope 2 voies Iout Qout
Fig. I.16 – Dispositif exp´erimental du premier MRT monovoie.
Les cartes ´emettrices/r´eceptrices choisies sont des RD0310 du fabriquant RF micro device. Ces cartes, dont la fr´equence porteuse est g´en´er´ee par une boucle `a verrouillage de phase, ne n´ecessitent qu’une horloge d’assez basse fr´equence : 44 MHz. Le grand int´erˆet de ces mod`eles est d’ˆetre vendus sans protocole de communication, c’est-`a-dire que l’utilisateur a un acc`es direct aux signaux analogiques en phase et en quadrature, en entr´ee ou en sortie. Un autre avantage est que l’amplification est inclue `a l’origine, avec une puissance de 16 dBm en ´emission et un gain de 10 dB en r´eception, ce qui est suffisant pour des exp´eriences en laboratoire. Afin de pouvoir
les utiliser, il a simplement fallu cr´eer un circuit d’alimentation et de contrˆole pour basculer du mode ´emission au mode r´eception, ainsi que pour r´egler les gains des diff´erents amplificateurs. Puis les ´emetteurs/r´ecepteurs, l’un fonctionnant en mode miroir `a retournement temporel (en rouge sur la figure) et l’autre fonctionnant en mode r´ecepteur ont ´et´e plac´es dans des boˆıtiers blind´es afin d’´eviter les radiation parasites venant de l’ext´erieur.
Un g´en´erateur de cr´eneaux `a double sortie a ´et´e utilis´e afin que les cartes d’´emission et de r´eception partagent la mˆeme horloge. Nous avons employ´e un synth´etiseur de fr´equence de marque Analog Device, la carte AD9852 de la figure pr´ec´edente. Cette carte ayant besoin d’une entr´ee `a 10 MHz, nous avons utilis´e pour l’alimenter un g´en´erateur de signaux traditionnel, que l’on a omis volontairement sur le sch´ema pour des raisons de clart´e. Une fois le circuit d’alimentation r´ealis´e et la carte mise dans un boˆıtier blind´e, celle-ci dispose de deux sorties synchronis´ees tr`es stable en fr´equence et en phase. Cette derni`ere caract´eristique est indis- pensable, car une erreur sur l’horloge `a 44 MHz va ˆetre multipli´ee par un facteur 50 sur la porteuse `a 2.45 GHz. Par ailleurs tous les param`etres de ce synth´etiseur sont programm´es par un ordinateur via un port s´erie.
La m´ethodologie utilis´ee pour le retournement temporel est la suivante :
– un signal bref en bande de base est envoy´e sur les canaux IQ de l’´emetteur par un g´en´erateur arbitraire de signaux `a deux voies synchronis´ees. Cet appareil a une fr´equence d’´echantillon- nage de 40 MHz, soit une bande passante de 15 MHz. Ceci est suffisant pour les 10 MHz des carte RD0310.
– Ce signal est modul´e sur la fr´equence porteuse par le modulateur de la carte ´emettrice, puis amplifi´e et enfin transmis `a l’antenne d’´emission A qui est de type omnidirectionnelle.
– Les ondes se propagent dans le milieu et une partie du champ est capt´ee par l’antenne de
r´eception B qui est, elle aussi, omnidirectionnelle.
– Le signal ainsi cr´e´e est alors d´emodul´e par la carte r´eceptrice donnant ainsi naissance aux signaux IQ de sortie.
– On r´ealise l’acquisition de ces signaux `a l’aide d’un oscilloscope `a 2 voies. Les signaux sont alors num´eris´es sur 8 bits. Des moyennes peuvent ´eventuellement ˆetre effectu´ees si besoin est. – Par le biais d’un port GPIB, on transf`ere les signaux vers un ordinateur. Ceux-ci sont alors
filtr´es et retourn´es temporellement, comme d´ecrit pr´ec´edemment, sous Matlab.
– Une autre connexion GPIB permet ensuite de charger ces signaux dans les m´emoires nu-
m´eriques du g´en´erateur arbitraire, afin de passer `a la phase de r´e´emission du retournement temporel.
– Apr`es modulation, amplification et ´emission des signaux retourn´es temporellement, les si- gnaux I et Q re¸cus sur l’antenne A sont mesur´es par l’oscilloscope `a l’aide duquel on peut en faire l’acquisition.
Les premiers essais ont ´et´e r´ealis´es alors que les deux antennes ´etaient s´epar´ees de quelques m`etres au sein du laboratoire. Comme on le voit sur la figure I.17, le signal envoy´e est compos´e de 2 arches de sinuso¨ıde `a 1 MHz sur la voie I et est nul sur la voie Q.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 −1 −0.5 0 0.5 1 Amplitude normalisée signaux émis voie I voie Q 0 5 10 15 −1 −0.5 0 0.5 1 Amplitude normalisée signaux reçus voie I voie Q 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 −1 −0.5 0 0.5
1 signaux reçus aprés retournement
Temps en µs
Amplitude normalisée
voie I voie Q
Fig. I.17 – Retournement temporel d’un signal envoy´e sur la voie I.
En observant les r´eponses en phase et en quadrature, on peut s’apercevoir de l’absence d’al- longement du signal : on observe uniquement le signal initial d´ephas´e. La raison en est assez simple : l’impulsion dure 2 µs. Pour voir un ´etalement significatif du signal, soit au moins une arche de sinuso¨ıde suppl´ementaire, un temps de r´everb´eration de 1 µs est n´ecessaire. Il faudrait ainsi que l’onde ait parcouru grˆace aux diverses r´eflexions au moins 300 m dans le laboratoire ! Il peut ´eventuellement exister de telles ondes, mais le coefficient de r´eflexions des murs ´etant trop faible, celles-ci ont une amplitude n´egligeable. Il est clair que ce n’est pas le meilleur en- vironnement pour observer une quelconque compression temporelle et donc pour prouver les avantages du retournement temporel. En revanche, on remarque que le signal re¸cu est conforme au formalisme impulsionnel en bande de base : l’impulsions est re¸cue dans une chronologie
invers´ee sur le voie I, et le signal sur la voie Q est nul. Nous avons r´ealis´e la mˆeme op´eration en utilisant cette fois `a l’´emission une impulsion sur la voie Q et un signal nul sur la voie I (Fig I.18). 0 2 4 6 8 10 12 14 16 −1 −0.5 0 0.5 1 Amplitude normalisée signaux émis voie I voie Q 0 5 10 15 −1 −0.5 0 0.5 1 Amplitude normalisée signaux reçus voie I voie Q 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 −1 −0.5 0 0.5 1 Temps en µs Amplitude normalisée
signaux reçus aprés retournement
voie I voie Q
Fig. I.18 – Retournement temporel d’un signal envoy´e sur la voie Q.
Bien ´evidemment, nous n’observons toujours aucun ´etalement de l’impulsion initiale. Par contre le d´ephasage induit par la propagation est diff´erent, ceci ´etant du `a l’asym´etrie de la matrice des r´eponses impulsionnelles. Sur les courbes correspondant aux signaux re¸cus apr`es retournement temporel, on voit que l’impulsion n’est pr´esente que sur la voie Q. De plus, on peut remarquer que les 2 arches de sinuso¨ıde sont dans le mˆeme sens que lors de l’´emission : ceci est une nouvelle fois en accord avec les formules du retournement temporel en bande de base. En effet, l’impulsion a ´et´e retourn´ee temporellement mais elle arrive avec un signe n´egatif et on retrouve ainsi exactement l’impulsion initiale, car notre signal initial est antisym´etrique. Enfin, que l’on ait focalis´e en I ou en Q, les deux figures pr´ec´edentes montrent que sur la voie non choisie le signal est exactement nul au milieu de l’impulsion qui est le t = 0 du retournement temporel. Les r´esultats pr´ec´edents, s’ils permettent de v´erifier certains aspects du retournement temporel sur fr´equence porteuse, ne suffisent pas `a d´emontrer le bien fond´e de la technique, en terme de compression temporelle ou spatiale. En r´ealit´e, la bande passante de notre syst`eme ´etant
bien trop faible9 pour observer un quelconque ´etalement temporel, l’op´eration de retournement temporel effectu´ee s’apparente `a une op´eration de conjugaison de phase.