Les dégradations affectant la transmission

Les dégradations affectant une communication sont de différentes natures et se tra-duisent par deux effets, la distorsion (linéaire et non linéaire) du signal et l’addition de signaux non désirés au cours de son passage à travers les différentes parties d’une chaîne de communication. De plus, on peut séparer les dégradations propres au système, dites dégradations internes et les dégradations engendrées dans le milieu de propagation dites, dégradations externes. Les dégradations externes sont présentées dans le contexte des communications sans fil radioélectriques.

1.3.4.1 Les sources physiques des signaux non-désirés

Dans le contexte des systèmes de communication sans fil, on peut définir trois types de signaux non désirés : le bruit de fond, présent en continu, les parasites, présents ex-ceptionnellement ainsi que les brouilleurs ou interférences qui peuvent être de nature intentionnelle ou pas et sont généralement porteurs d’informations utiles [19]. Notons que cette séparation est totalement arbitraire. En effet, le rayonnement d’origine extra-terrestre est considéré comme porteur d’information pour les radioastronomes, alors qu’il est considéré comme du bruit par ceux qui travaillent sur les systèmes de communication sans fil.

Une classification des signaux non-désirés est proposée par la figure 1.2. La puissance du bruit est souvent exprimée indirectement par sa température équivalente de bruit T avec P = k.T.∆f où k est la constante de Boltzman (1.38 × 10⁻²³J K⁻¹) et ∆f , la largeur de bande. Cette température est généralement dépendante de la fréquence. Elle représente la température physique d’une résistance aux bornes de laquelle apparaîtrait la puissance de bruit P sur une largeur de bande ∆f .

Les sources physiques externes de dégradation liées aux communications sans fil ra-dioélectriques peuvent être séparées en sources terrestres et extraterrestres [19].

A part le bruit cosmologique, qui est isotrope dans l’espace et constant selon la fré-quence (température équivalente de 2,76 K), la plupart des autres sources de bruit extra-terrestre présente des températures décroissantes avec la fréquence. Le bruit de notre galaxie, par exemple, tend vers le plancher du bruit cosmologique à partir d’une dizaine de GHz et décroît très rapidement avec la fréquence (en f^−2.6) jusqu’à environ 1 GHz pour arriver à une température de l’ordre de 10 K à cette fréquence. Le bruit produit par les radiosources (quasars, supernovas, radiogalaxies) n’a une influence, de surcroît très faible, uniquement lorsque des antennes très directives sont pointées sur les astres respectifs (bruit fortement anisotrope). Du point de vue des astres du système solaire, seuls la lune et le soleil, de par leur diamètre apparent notable, dans des conditions de pointage adéquats, peuvent avoir une influence notable. Jusqu’à 200 MHz l’influence du soleil peut être élevée et est relativement faible à partir d’une dizaine de GHz.

Signaux non désirés

Internes Externes

Composants actifs

(Grenaille) ^{Bruit thermique}

Bruits terrestres Bruits extra-terrestres Astres du système solaire Radiosources Bruit galactique et cosmologique Bruits thermiques (athmosphérique et terrestre) Parasites atmosphériques Bruit radioélectrique industriel Interférence d'accés multiple

Le bruit thermique atmosphérique est lié à l’absorption des ondes par certains consti-tuants de l’atmosphère (oxygène, vapeur d’eau, brouillard, nuages, pluie). Ces effets sont surtout à prendre en compte pour les micro-ondes au dessus d’une dizaine de GHz.

Les parasites atmosphériques causés par les décharges orageuses sont à prendre en compte pour des fréquences inférieures à 1 MHz, et au-delà de 20 MHz, l’influence de ces parasites devient négligeable, à part dans le cas d’orages locaux.

Les bruits de nature industrielle dépendent largement de l’environnement. En milieu rural, ces bruits sont beaucoup plus faibles qu’en milieu urbain ou commercial. Ils sont principalement dus aux moteurs électriques à collecteurs, aux interrupteurs, à l’allumage des moteurs à explosion (bougies), aux lignes à haute tension, aux tubes de télévisison, à certains appareils médicaux ainsi qu’à d’autres éléments électriques. Ces bruits peuvent être guidés par le réseau d’alimentation électrique et des dispositifs de filtrage/découplage doivent être installés sur tous les appareils électriques afin de respecter les normes en vigueur. La densité spectrale de puissance (Dsp) de ces bruits est assez similiare à celle des bruits galactiques avec des niveaux un peu supérieurs en milieu urbain. Ils deviennent insignifiants à partir de quelques centaines de MHz. On peut aussi citer les brouilleurs qu’ils soient intentionnels (par exemple, dans certains lieux publics afin d’empêcher les communications par téléphone portable) ou pas (d’autres systèmes peuvent coexister avec un certain empiètement des spectres même si cela est rare du fait de la réglementation). Dans cette catégorie, on peut ajouter les bruits de nature impulsive mais ceux-ci sont surtout importants à prendre en compte à des fréquences relativement basses comme celles employées dans les paires torsadées. Les bruits artificiels d’origine externe sont amenés à changer avec le temps. Par exemple, les systèmes ultra large bande (Ulb) [50] sont à l’étude et pourraient bien cohabiter dans la même bande avec les systèmes existants du fait de leur faible Dsp. Leurs effets radioélectriques viendraient alors s’ajouter aux autres sources de bruits.

D’un point de vue interne à l’émetteur et au récepteur, le bruit provient essentielle-ment des amplificateurs, mélangeurs et autres composants analogiques. Les deux types de bruit interne ayant le plus d’impact sont le bruit de grenaille et le bruit thermique. Le bruit thermique est le fruit de l’agitation aléatoire des porteurs de charge dans les conduc-teurs et les semi-conducconduc-teurs et, comme son nom l’indique, dépend de la température. Le bruit de grenaille, présent dans les semi-conducteurs dépend quant à lui du courant mais pas de la température. La puissance de ce type de bruit augmente légèrement avec la fréquence. Une autre source de bruit particulière est le bruit de quantification [51]. Il apparaît au niveau de l’opération d’échantillonnage/quantification permettant de trans-former le signal analogique en un signal numérique.

Les interférences multi-utilisateur (Imu) présentes dans les systèmes cellulaires sont considérées comme des signaux non-désirés internes puisqu’elles appartiennent au sys-tème global même si elles ne sont pas générées par le récepteur. Elles peuvent provenir d’un débordement de spectre ou de la réutilisation de fréquence, d’un débordement tem-porel, ou plus généralement d’un défaut d’orthogonalité entre les formes d’ondes associées aux différents utilisateurs. L’apparition de fréquences gênantes par les non-linéarités du système de réception constitue aussi une cause d’interférence.

Distorsions

Internes Externes

Récepteur Emetteur Sélectivité ^Atténuation_globale

(fonction de f et d) Atténuation d'espace libre Dispersivité fréquentielle Trajets multiples Dépolarisation Masquage Mouvements filtrage Problème d'échantillonnage Synchronisation temporelle Synchronisation sur la porteuse et bruit de phase filtrage Défaut de quadrature Amplification (Non linéarité) Atténuation supplémentaire fonction du milieu

d : distance entre l'émetteur

et le récepteur

f : fréquence considérée

Fig. 1.3 — Les sources physiques des distorsions subies par le signal

A part les Imu qui peuvent parfois être prises en compte explicitement dans l’étude des systèmes de communications, l’ensemble des bruits précités est généralement modélisé par un Bruit Blanc Additif Gaussien (Bbag), complexe circulaire lorsqu’il est exprimé en bande de base. Ce modèle reste acceptable pour des largeurs de bande relativement étroites par rapport à la fréquence porteuse. Aux fréquences supérieures au GHz et dans un environement terrestre, les bruits internes au récepteur sont prépondérants par rapport aux autres sources de bruit et sont donc souvent les seuls à être pris en compte dans le calcul du niveau de bruit.

1.3.4.2 Les sources physiques des distorsions subies par le signal

De même que précédemment, on peut séparer les distorsions d’origine interne et les distorsions d’origine externe comme représenté sur la figure 1.3.

En ce qui concerne les distorsions introduites par le milieu, on a tout d’abord les atténuations globales de la puissance d’autant plus grandes, que la distance est élevée et la fréquence élevée. Pour un type de configuration donné, l’atténuation de puissance augmente avec la distance exprimée en nombre de longueurs d’onde (c’est à dire avec d/λ = d.f /c où f est la fréquence, d la distance entre l’émetteur et le récepteur, c la vitesse de l’onde dans le milieu et λ, la longueur d’onde). Pour certaines liaisons, la

présence de plusieurs trajets de propagation pris par l’onde, la dispersivité en fréquence, l’inhomogénéité spatiale du milieu et les mouvements présents dans le milieu (émetteur et récepteur inclus), provoquent des distorsions fréquentielles, des phénomènes de masquage sélectifs en temps et/ou en espace, ainsi que des variations de l’atténuation et de la phase à petite échelle (effet Doppler entraînant des variations temporelles et variations spatiales sur quelques longueurs d’onde). Ces distorsions ont un comportement linéaire avec les puissances d’émission concernées. Elles peuvent considérablement dégrader la transmission. Dans la suite, on appelle canal sélectif un canal variant dans le temps, en fréquence et selon la position de l’émetteur et du récepteur. Lorsque la sélectivité ne concerne pas tous les domaines de variation précités, on le précisera.

Dans le système proprement dit, on peut séparer les dégradations par distorsions produites dans l’émetteur de celles produites dans le récepteur. Ces dégradations sont causées par des problèmes de réalisations pratiques des différents organes du système de communication et sont, par conséquent, liées à des limites technologiques et de coût contrairement au milieu qui lui, est imposé par l’application. Ces différents défauts néces-sitent de changer les modèles mathématiques qui s’attachent généralement à ne refléter que la fonction utile d’un organe mais pas ses défauts. La plupart des défauts apparaîssent entre la numérisation et le transducteur couplant le signal électrique au milieu.

Nombre de ces défauts peuvent être en partie corrigés d’une manière numérique, ce qui est un avantage du numérique. Des parties analogiques se rapprochant le plus possible des fonctions théoriques sont néanmoins souhaitables puisqu’elles améliorent de toute façon les performances du système. Un compromis entre complexité numérique et analogique doit souvent être fait.

En émission, on retrouve des problèmes de quadrature, de mise en forme du signal et des défauts au niveau de la transposition de fréquence. Les problèmes de quadrature proviennent d’un déséquilibre entre les voies en phase et en quadrature. Les problèmes de mise en forme proviennent du fait qu’un filtre de Nyquist (ou en racine de Nyquist) théo-rique n’est pas pratiquement réalisable, du fait de sa non-causalité et de son extension temporelle infinie ainsi que des différents filtres traversés par le signal. Le problème de transposition de fréquence provient des oscilateurs non parfaits (décalage de porteuse et bruit de phase). L’étage d’amplification peut produire des distorsions Nl surtout pour les signaux à grande valeur de puissance crête sur puissance moyenne. En effet, ces amplifi-cateurs, devant fournir des puissances assez élevées, sont utilisés en limite de compression pour des raisons de coût contrairement à l’amplificateur du récepteur qui lui est dimen-sionné pour des puissances beaucoup plus faibles.

En réception, on retrouve 3 principaux problèmes : le problème de synchronisation fréquentielle lors de la transposition, le problème de synchronisation temporelle lors de l’opération d’échantillonnage et les problèmes de filtres mals adaptés (passe-bande et/ou passe-bas). Le problème de récupération de porteuse (fréquence et phase) est surtout important pour les démodulateurs cohérents alors que pour les démodulateurs différentiels c’est plutôt la longueur de la ligne à retard qui va être contraignante [52]. Dans ces deux cas, les bruits de phase [53] des oscillateurs peuvent poser des problèmes de démodulation. La mauvaise adaptation des filtres peut dégrader le Rsb et provoquer des Ies. Enfin, les

problèmes de synchronisation temporelle vont jouer sur l’instant d’échantillonnage qui, s’il est mal choisi, est une source d’Ies. Les dispositifs de récupération de porteuse nécessitent la mise en place de boucles à verrouillage de phase alors que les problèmes de déformation de signal et les défauts sur les instants d’échantillonnage peuvent se régler en numérique par des opérations d’égalisation [54].

A part les effets Nl de l’amplificateur d’émission, l’ensemble des défauts peut être mo-délisé par un filtre linéaire variant dans le temps Flvt pour chaque couple antenne émis-sion - antenne réception. Généralement, le bruit de phase est modélisé séparément [53].