Radio impulsionnelle

Le concept de radio impulsionnelle, développé à partir des études sur le radar, repose sur l’émission d’impulsions de durée très brève (de l’ordre de 100 ps à 1 ns). Typiquement, ce type d’impulsions occupe un spectre très large (de l’ordre de 1 à quelques GHz). Il s’agit donc d’une approche mono-bande. Les formes d’impulsions généralement adoptées pour les com-municationsUWBincluent l’impulsion gaussienne, sa dérivée première (monocycle gaussien), et sa dérivée seconde, comme représenté dans la figure 1.6. Le défaut de l’impulsion gaus-sienne réside dans sa valeur moyenne non nulle, qui correspond dans le domaine fréquentiel à une composante continue importante. L’impulsion gaussienne ne peut donc pas se propager sans déformation, et on lui préfère généralement le monocycle gaussien [Bateman 03].

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1 -0.5 0 0.5 1 Temps (ns) S ig na l n or m al is é Impulsion gaussienne Monocycle gaussien Dérivée 2^nde

Modulation par Position d’Impulsion

L’équation (1.3) donne la forme typique d’un signal émis en radio impulsionnelle, utilisant une modulation par position d’impulsion, ou Pulse Position Modulation (PPM) [Scholtz 97].

s(t) =^X

j

w(t − j · T_f − c_j · T_c− ∆ · d_b j

Nsc) (1.3)

où w(t) représente la forme d’onde du monocycle transmis, débutant normalement à l’ins-tant t = 0. Le signal transmis correspond donc à une succession d’impulsions émises à des moments différents, la j^eimpulsion étant émise à l’instant j · Tf + cj · T_c+ ∆ · d_b j

Nsc. Le terme j · T_f permet un espacement uniforme des impulsions. En effet, le signal défini par l’équation :

s(t) =^X

j

w(t − j · T_f) (1.4)

correspond à un train d’impulsions uniformément réparties, avec un espacement entre impul-sions égal à Tf secondes. Ce train d’impulsions est représenté dans la figure 1.7, partie (a). Tf est généralement appelé « durée de trame » et est de l’ordre de 100 à 1000 fois la durée de l’impulsion. Ceci permet d’obtenir des signaux à faible rapport cyclique, donc à faible den-sité spectrale de puissance. Il faut noter cependant que la périodicité de ce signal génère des raies parasites dans le spectre radio. D’autre part, des impulsions émises de façon régulière par les différents utilisateurs d’un réseau sont très sensibles aux problèmes de collision lors de l’accès au canal.

Ces deux problèmes sont résolus par l’utilisation du code pseudo-aléatoire de saut tem-porel. La trame de durée Tf est subdivisée en un certain nombre d’intervalles de temps (chip) de durée Tc. Chaque utilisateur est muni d’un code pseudo-aléatoire {cj} de longueur Nsqui indique dans quel chip de chaque trame l’impulsion doit être émise. L’utilisation d’un code pseudo-aléatoire permet de diminuer l’effet d’apparition de raies dues à la périodicité de la trame, et le spectre paraît beaucoup plus lissé [Pezzin 03]. Si la séquence pseudo-aléatoire est suffisamment longue, le signal UWB peut être assimilé, sur la bande qu’il occupe, à un bruit blanc gaussien. D’autre part, le code pseudo-aléatoire permet la gestion d’utilisateurs multiples du canal radio. Le signal émis avec l’utilisation d’un code s’écrit :

s(t) =^X

j

w(t − j · T_f − c_j · T_c) (1.5)

et sa forme est donnée par la figure 1.7, partie (b).

Dans l’équation (1.3), la modulation utilisée pour émettre des données est de type PPM. En effet, le terme ∆ représente un intervalle de temps de l’ordre de ^Tc

2 , et les termes dk

représentent les différents symboles, 0 ou 1, à émettre. L’indice d_b j

Nsc, avec b·c désignant la partie entière, montre que le même symbole est utilisé sur toute la longueur du code : il y a donc redondance de l’information, ce qui permet d’obtenir un certain gain de traitement. Sous ces conditions, lorsqu’un 0 est transmis, il n’y a pas de décalage temporel dans l’émission des données, tandis qu’un décalage d’une durée ∆ est appliqué sur toute la durée du code lorsqu’un 1 est transmis. Ces deux états sont donnés dans la figure 1.7, parties (b) et (c). On peut noter que des modulations PPM utilisant un plus grand nombre d’états sont possibles.

1.1 LA TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE 15 T_f T_c (a) (b) (c)

FIG. 1.7 – Trains d’impulsions en radio impulsionnelle. Train d’impulsions uniformément réparties (a), code d’étalement en position 0 (b), et code d’étalement en position 1 (c).

En radio impulsionnelle, la réception des signaux se fait par corrélation. L’idée de base repose sur la multiplication du signal reçu par un signal modèle, qui permet de démoduler les données transmises. Au niveau du récepteur, le signal modèle correspond à un code pseudo-aléatoire d’émission donné. L’utilisation de codes temporels permet ainsi la gestion de l’accès multiple [Scholtz 93]. Si plusieurs utilisateurs émettent simultanément en utilisant des codes pseudo-aléatoires orthogonaux, seul le signal correspondant au code sélectionné sera démo-dulé, les autres utilisateurs apparaissant comme du bruit. On parle dans ce cas d’accès multiple à répartition par code, ou Code Division Multiple Access (CDMA).

Modulation par Amplitude d’Impulsion

La modulation par amplitude d’impulsion, ou Pulse Amplitude Modulation (PAM), est une alternative à la modulation par position d’impulsion. Cette technique consiste à faire varier l’amplitude des impulsions émises pour coder les différents états.

Théoriquement, un nombre illimité de valeurs différentes peut être utilisé pour l’amplitude du signal. Dans la pratique, la modulationPAMse réduit souvent à deux états, 1 et −1. Dans ces conditions, on peut voir la modulation 2-PAMcomme une forme de modulation bi-phasée, ou Binary Phase Shift Keying (BPSK). Cette modulationBPSKprésente une bonne robustesse aux effets du canal, et simplifie la synchronisation. En effet, la position de l’impulsion reste fixe, et c’est uniquement sa phase qui varie.

Une autre variante de la modulationPAMconsiste à transmettre deux états : 1 et 0. Il s’agit dans ce cas d’une modulation de type « tout ou rien », ou On Off Keying (OOK). À l’instant de transmission défini, une impulsion est émise pour coder un 1, et rien n’est émis pour coder un 0. Enfin, il existe également des modulations hybrides. On peut par exemple créer une modulation à 512 états en combinant une modulation 256-PPMavec une modulation 2-PAM.

La technique de modulation par radio impulsionnelle a été implémentée par la société américaine Time Domain, et commercialisée sous la forme d’une puce électronique, nommée PulsOn 210. Cependant, en raison de la difficulté d’implémentation et de la faible souplesse spectrale de ce type de systèmes, les autorités de normalisation se tournent vers d’autres types de modulations, présentées dans les paragraphes suivants.