Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes

Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes

Chap.1: Les bases de la communication par satellite Chap.1: Les bases de la communication par satellite

Halim Boutayeb Halim Boutayeb INRS, Montréal

Phone: (514) 875-1266 ex. 3066

boutayeb@emt.inrs.ca

Plan Plan

I. I. Introduction Introduction

II. II. Principaux paramètres d’une liaison Principaux paramètres d’une liaison III. III. Bilan de puissance d’un lien par satellite Bilan de puissance d’un lien par satellite IV. IV. Éléments de conception d’un récepteur Éléments de conception d’un récepteur

V. V. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par satellite un lien de communication par satellite

I. Introduction I. Introduction

 Micro-ondes: 3GHz-30GHz Micro-ondes: 3GHz-30GHz

 Disciplines necessaries pour les Disciplines necessaries pour les concepteurs concepteurs de de circuits micro-ondes: circuits micro-ondes:

Génie Micro-ondes

Théorie des Micro-ondes Théorie des communications

Signaux aléatoires Architecture des transmetteurs et récepteurs

Outils de CAO Propagation du

signal

Standard des

Plan Plan

I. I. Introduction Introduction

II. II. Principaux paramè Principaux param ètres d tres d ’une liaison ’ une liaison III. III. Bilan de puissance d’un lien par satellite Bilan de puissance d’un lien par satellite IV. IV. Éléments de conception d’un récepteur Éléments de conception d’un récepteur

V. V. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par satellite un lien de communication par satellite

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 L L iaison iaison s s d d ’ ’ une une communication communication par satellite par satellite

Satellite

Station de base en réception Gain

Perte de Propagation Perte de Propagation

L u L ^d

G s

G su G _sd

G t _{G r}

L ta L _ra

L da

L ua

Satellite

Station de base en réception Gain

Perte de Propagation Perte de Propagation

L u L ^d

G s

G su G _sd

G t _{G r}

L ta L _ra

L da

L ua

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Gain de l Gain de l ’ ’ antenne antenne

 





 



 P / 4 , ) w

, ( G

t

) , ( w  

P t

) , (  

Puissance rayonnée dans la direction Puissance totale rayonnée

Pour une antenne parabolique :

D 2

G 



 







 

 ^D Diamètre de l’antenne

 Efficacité d’ouverture : généralement entre 50% et 70%

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Pertes dans l Pertes dans l ’ ’ espace libre espace libre

  ²

2 r

t 2 t

t r t

r P G G 4 d

d 4

G A P

P 

 

 

t t G

P Puissance transmise selon une sphère de rayon d La puissance reçue est

Avec

 G  A

2

Équation

de Friis

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Pertes par absorption atmosph Pertes par absorption atmosph é é rique rique

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Temp Temp é é rature de bruit rature de bruit

K J

10 38

. 1

k   ^{ 23}

kT N ₀ 

Bruit thermique

Constante de Boltzmann

T Température de bruit en Kelvin

  ^N _{o dB} ^{ 10 log( k )  10 log( T )   228 . 6  10 log( T ) dB / Hz}

Exemple: La densité de puissance du bruit généré par une résistance à une température de 27C est :

Hz /

dB 8

. 203 )

27 15

. 273 log(

10 6

. 228

N      

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Temp Temp é é rature rature é é quivalente de bruit de l quivalente de bruit de l ’ ’ antenne antenne

o s

A T ( 1 ) T T    

Rendement d’ouverture de l’antenne

Température ambiante en Kelvin Température de bruit due aux ions

de l’atmosphère, à la foudre, absorption atmosphérique…

La plus grande contribution à la température équivalente de bruit de l’antenne

reste due aux lobes secondaires dans le diagramme de rayonnement, qui sont

dirigés vers le sol.

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Facteur de bruit (ou Figure de bruit) Facteur de bruit (ou Figure de bruit)

Sortie Largeur de bande : B

Gain : G

Facteur de bruit : NF Température T

Entrée

S

N

S

N

Circuit d’amplification

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Facteur de bruit Facteur de bruit

out out

in in

S N S N

NF  Rapport signal à bruit au port d’entrée

Rapport signal à bruit au port de sortie

B S kT

S N

0 in

in

in  B: largeur de bande de la liaison

) B kT B

kT ( GS G

S N

i 0

in out

out   G: Gain de sortie

T

: Température équivalente de bruit à l’entrée

Sortie Largeur de bande : B

Gain : G

Facteur de bruit : NF Température T_o Entrée

Sin

N_in

Sout

Nout

Circuit d’amplification

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Facteur de bruit Facteur de bruit

T i

1 NF  

Sortie Largeur de bande : B

Gain : G

Facteur de bruit : NF Température T

Entrée

S

N

S

N

Circuit d’amplification

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 Temp Temp é é rature rature é é quivalente de bruit quivalente de bruit

) 1 NF

( T

T _i  ₀ 

Circuit amplificateur Circuit amplificateur

Circuit passif

Circuit passif T _i  T ₀ ( L _c  1 )

Pertes du circuit

 

 



 



c 0

out L

1 1 T

T

S o rtie P e rte : L_c

T e m p é ra tu re T_o E n tré e

C irc u it p a s s if )

1 ( 

 _{o c}

i T L

T T_out  T_o(1  1/ L_c )

S o rtie P e rte : L_c

T e m p é ra tu re T_o E n tré e

C irc u it p a s s if )

1 ( 

 _{o c}

i T L

T T_out  T_o(1  1/ L_c )

II. II. Principaux param Principaux param è è tres d tres d ’ ’ une liaison une liaison

 EIRP EIRP ( ( Equivalent Isotropically Radiated Power Equivalent Isotropically Radiated Power ) )

) Watts (

P G

EIRP  _{t t}

- Permet d’évaluer la capacité de transmission d’un émetteur

- Puissance rayonnée de manière

isotrope

Plan Plan

I. I. Introduction Introduction

II. II. Principaux paramètres d’une liaison Principaux paramètres d’une liaison III. III. Bilan de puissance d’ Bilan de puissance d ’un lien par satellite un lien par satellite IV. IV. Éléments de conception d’un récepteur Éléments de conception d’un récepteur

V. V. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par satellite un lien de communication par satellite

III.

III. Bilan de puissance d Bilan de puissance d ’ ’ un lien par satellite un lien par satellite

Satellite

Liaison montante Liaison descendante

Station de base en transmission Station de base en réception Gain

Perte de Propagation Perte de Propagation

L u L ^d

G s

G su G _sd

G t _{G r}

L ta L _ra

L da

L ua

Satellite

Liaison montante Liaison descendante

Station de base en transmission Station de base en réception Gain

Perte de Propagation Perte de Propagation

L u L ^d

G s

G su G _sd

G t _{G r}

L ta L _ra

L da

L ua

ra r

d da

sd s

ua u

su ta

t t

r P G L G L L G G L L G L

P            

Plan Plan

I. I. Introduction Introduction

II. II. Principaux paramètres d’une liaison Principaux paramètres d’une liaison III. III. Bilan de puissance d’un lien par satellite Bilan de puissance d’un lien par satellite IV. IV. É É l l éments de conception d é ments de conception d ’ ’ un ré un r écepteur cepteur

V. V. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par satellite un lien de communication par satellite

III. Éléments de conception d’un récepteur III. Éléments de conception d’un récepteur

Circuit Passif 3 Circuit

passif 1 Circuit

d’amplification 1 Circuit

passif 2 Circuit

d’amplification 1

L

G

, NF

L

G

, NF

L

G

, T

Circuit Passif 3 Circuit

passif 1 Circuit

d’amplification 1 Circuit

passif 2 Circuit

d’amplification 1

L

G

, NF

L

G

, NF

L

G

, T

2 1

2 3

L 1

2 2

G 1

2 1 L

G 1

L 1

s a

G G

L T

G L T

G T T

L T

T  T     

2

o 1

1

G ( NF 1 ) T

T   T _{G 2}  ( NF ₂  1 ) T _o

 Temp Temp é é rature de bruit d rature de bruit d ’ ’ un r un r é é cepteur cepteur

III. Éléments de conception d’un récepteur III. Éléments de conception d’un récepteur

2 1

2 3

L 1

2 2

G 1

2 1 L

G 1

L 1

s a

G G

L T

G L T

G T T

L T

T  T     

 Temp Temp é é rature de bruit d rature de bruit d ’ ’ un r un r é é cepteur cepteur

Si G Si G

(gain du premier amplificateur) est élevé l’expression de T (gain du premier amplificateur) est élevé l’expression de T

peut se peut se simplifier. Le premier amplificateur est appelé Low Noise Amplificator simplifier. Le premier amplificateur est appelé Low Noise Amplificator (LNA).

(LNA).

LNA feed

0 feed

1 a G 1

L 1

s a T ( 1 1 L ) T

L T T

L T

T  T      

III. Éléments de conception d’un récepteur III. Éléments de conception d’un récepteur

 Figure de m Figure de m é é rite G/T rite G/T

feed LNA

feed o

a

a s

feed a

s s

L T

) 1 L

( T T

G T

L / G T

G





 



Gain incluant la perte dans le circuit d’alimentation.

Gain incluant la perte dans le circuit d’alimentation.

  I I ndice de performance de la réception au niveau de la station de base ndice de performance de la réception au niveau de la station de base

Plan Plan

I. I. Introduction Introduction

II. II. Principaux paramètres d’une liaison Principaux paramètres d’une liaison III. III. Bilan de puissance d’un lien par satellite Bilan de puissance d’un lien par satellite IV. IV. Éléments de conception d’un récepteur Éléments de conception d’un récepteur

V. V. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par satellite un lien de communication par satellite

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

Satellite Bruit 3

Station de base en transmission Station de base en réception Transpondeur

Bruit 1

Signal de la liaison montante Signal de la liaison descendante

Transmetteur Bruit 5 Récepteur

Bruit 4 Bruit 2

Source du signal

Satellite Bruit 3

Station de base en transmission Station de base en réception Transpondeur

Bruit 1

Signal de la liaison montante Signal de la liaison descendante

Transmetteur Bruit 5 Récepteur

Bruit 4 Bruit 2

Source du signal

Bruit 1 : bruit thermique généré par le modulateur, le mélangeur et l’amplificateur de puissance.

Ce bruit est généralement suffisamment petit en comparaison avec la puissance du signal utile et il est négligeable par rapport aux autres sources de bruit.

Bruit 2 : bruit thermique issu de la terre et reçu par l’antenne du satellite (généralement à 300K).

Bruit 3 : bruit thermique généré par le transpondeur du satellite. Il dépend principalement des performances du LNA du transpondeur.

Bruit 4 : bruit reçu par l’antenne de la station de base en plus du signal issu du satellite incluant le bruit du ciel (bruit de fond galactique), le bruit thermique atmosphérique et le bruit thermique terrestre.

Bruit 5 : bruit thermique généré par le récepteur de la station de base et qui dépend des performances de l’amplificateur à faible bruit du premier étage d’amplification du récepteur.

En plus de ces sources de bruit, un lien de communication par satellites est soumis à des interférences introduites par d’autres systèmes de communication par satellite.

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

Ligne de

transmission Duplexeur

Amplificateur faible bruit Amplificateur

de puissance

Duplexeur Ligne de transmission

Antenne Milieu Antenne

de propagation

Récepteur

Transmetteur L_f

Gt G_r

TLNA

e

Lfeed, Lfeed,r

feed t out

L P  P Pout

t

t G

P EIPR 

LNA feed

o feed a

s T L T L T

T   (11 ) Ligne de

transmission Duplexeur

Amplificateur faible bruit Amplificateur

de puissance

Duplexeur Ligne de transmission

Antenne Milieu Antenne

de propagation

Récepteur

Transmetteur L_f

Gt G_r

TLNA

e

Lfeed, Lfeed,r

feed t out

L P  P Pout

t

t G

P EIPR 

LNA feed

o feed a

s T L T L T

T   (11 )

 

L G EIRP

B kT

L L G G P B

kT L

L G L G

P

N C

r , r feed

s f

r , r feed t

t

s f

r , r feed t

e , feed

out



















 

L G EIRP

kT L

L G G P kT

L

L G L G

P

N C

r , r feed

s f

r , r feed t

t

s f

r , feed r

t e , feed

out

o



















 Rapport signal Rapport signal à à bruit d bruit d ’ ’ un lien satellite un lien satellite

dBHz 6

. 228 T

L G

L EIRP

k T

L G

L G

L N P

C

s r

, feed r

f

s r

, feed r

f t

e , feed out

o

     

















k 1 T

L G

L EIRP N

C

s

r , r feed

f

o  





 



 

 Rapport signal Rapport signal à à bruit d bruit d ’ ’ un lien satellite un lien satellite

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

r L feed ,

Puissance transmise par le satellite 1 Watt (0 dBW) Gain de l’antenne du satellite (diamètre 100 cm) 21.7 dBi

Pertes de propagation dans l’espace (d=36000 km) 187.2 dB Gain de l’antenne de la station (Diamètre 40 cm, =80%) 15.0 dBi

Température de bruit du système de la station de base 24.8 dBk (300K)

Pertes d’alimentation 3 dB

















 Exemple Exemple

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

Ligne de

transmission Duplexeur

Amplificateur faible bruit Amplificateur

de puissance

Duplexeur Ligne de transmission

Antenne Milieu Antenne

de propagation

Récepteur du satellite Transmetteur de la station de base

Lf b

Gt_, G_r,s

s

TLNA_, b

Lfeed_, L_feed,s

b feed

b b out

t L

P P

, ,  ,

b

Pout_,

b t b t

b P G

EIPR  _,  _,

a) Liaison montante

s LNA s

feed o

s feed s

a s

s T L T L T

T_,  _{, ,}  (11 _, ) _,

Ligne de

transmission Duplexeur

Amplificateur faible bruit Amplificateur

de puissance

Duplexeur Ligne de transmission

Antenne Antenne

Milieu de propagation

Récepteur station de base

Transmetteur du satellite L_f

s

Gt_, G_r,b

b

TLNA_, s

Lfeed_, L_feed,b

s feed

s s out

t L

P P

, ,  , s

Pout_,

s t s t

s P G

EIPR  _,  _,

b LNA b

feed o

b feed b

a b

s T L T L T

T _,  _{, ,}  (11 _, ) _, Ligne de

transmission Duplexeur

Amplificateur faible bruit Amplificateur

de puissance

Duplexeur Ligne de transmission

Antenne Milieu Antenne

de propagation

Récepteur du satellite Transmetteur de la station de base

Lf b

Gt_, G_r,s

s

TLNA_, b

Lfeed_, L_feed,s

b feed

b b out

t L

P P

, ,  ,

b

Pout_,

b t b t

b P G

EIPR  _,  _,

a) Liaison montante

s LNA s

feed o

s feed s

a s

s T L T L T

T_,  _{, ,}  (11 _, ) _,

Ligne de

transmission Duplexeur

Amplificateur faible bruit Amplificateur

de puissance

Duplexeur Ligne de transmission

Antenne Antenne

Milieu de propagation

Récepteur station de base

Transmetteur du satellite L_f

s

Gt_, G_r,b

b

TLNA_, s

Lfeed_, L_feed,b

s feed

s s out

t L

P P

, ,  , s

Pout_,

s t s t

s P G

EIPR  _,  _,

b LNA b

feed o

b feed b

a b

s T L T L T

T _,  _{, ,}  (11 _, ) _,

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

 

kB 1 T

L G L

EIRP B

kT L

L G EIRP B

kT L

L G G

P B

kT L

L G L G

P

N C

s , s

s , feed s

,r f

b s

, s

f

s , feed s

,r b

s , s f

s , feed s

, r b ,t b ,t

s , s

f

s , feed s

, r b , t b , feed

b , out

U

 





 



 







 





 





 



 





 

k 1 T

L G L

EIRP kT

L L G EIRP kT

L

L G G

P kT

L

L G L G

P

N C

s , s

s , feed s

, r f

b s

, s f

s , feed s

,r b

s , s f

s , feed s

,r b ,t b ,t

s , s f

s , feed s

,r b , t b , feed

b , out

0 U

 





 



 







 





 





 



 





 Liaison montante Liaison montante

 ^{C / N} _o  _U ^{ P} _{out , b} ^{ L} _{feed , b} ^{ G} _{t , b} ^{ L} _f ^{ G} _{r , s} ^{ L} _{feed , s} ^{ T} _{s , s} ^{ k}

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

 Liaison descendante Liaison descendante

 

kB 1 T

L G L

EIRP B

kT L

L G EIRP B

kT L

L G G P B

kT L

L G L G

P

N C

b , s

b , feed b

, r f

s b

, s

f

b , feed b

, r s

b , s

f

b , feed b

, r s ,t s ,t

b , s

f

b , feed b

, r s , t s , feed

s , out

D 









 



















 



 





 

k 1 T

L G L

EIRP kT

L L G EIRP kT

L L G G P kT

L

L G L G

P

N C

b , s

b , feed b

, r f

s b

, s

f

b , feed b

, r s

b , s f

b , feed b

, r s ,t s ,t

b , s f

b , feed b

, r s , s t , feed

s , out

0 D 









 



















 



 





 

dBHz 6

. 228 T

L G

L EIRP

k T

L G

L G

L P

N / C

b , s b

, feed b

, r f

s

b , s b

, feed b

, r f

s , t s

, feed s

, D out

o





























IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

       

1

1 1

) (

) (



 

 



  

 

 

D o U o

o o

D o U

o o T

I C N

C N

C I

N N

N C C

 Rapport signal Rapport signal à à bruit total bruit total

Bruit d’interférences générés par les autres systèmes

Liaison montante

Liaison descendante

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

 Rapport signal Rapport signal à à bruit total bruit total

Le rapport signal

Le rapport signal à à bruit total bruit total est domin

est domin é é par le rapport par le rapport signal

signal à à bruit le plus mauvais bruit le plus mauvais IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par

satellite

satellite

s

L

EIRP

du GES 60.7 dB

Pertes de propagation ( 6 GHz, d=37270 km) 199.4 dB Gain de l’antenne du satellite 21.7 dBi

Pertes de l’alimentation 3.0 dB

Température de bruit équivalente à l’entrée de

l’amplificateur faible bruit du satellite

300 K

dB L

G L

EIRP

C 







 60 . 7  199 . 4  21 . 7  3   120 . 0

Hz dB

T k

N _o  10 log( )  10 log( _{s , s} )   228 . 6  10 log( 300 )   203 . 8 / IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par

satellite satellite

 Exemple Exemple

b

L

EIRP du satellite 30.5 dB

Pertes de propagation ( 1.5 GHz, d=41.097 km) 199.4 dB

Gain de l’antenne du AESS 14.0 dBi

Pertes de l’alimentation 3.0 dB

Température de bruit équivalente à l’entrée de l’amplificateur faible bruit de la station de base

300 K

dB L

G L

EIRP

C 







 30 . 5  188 . 5  14 . 0  3   148 . 0

Hz dB

T k

N _o  10 log( )  10 log( _{s , b} )   228 . 6  10 log( 300 )   203 . 8 /

dBHz N

C / ) 148 . 0 203 . 8 55 . 8

(    

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

 Exemple Exemple

 ^{C N}



 ^{C N}



 ^{C N}



^{379587 . 790 55 . 7 dBHz}

10 1 10

1 1

1

1

10 8 . 55 10

8 . 83 1



 







 







 



 



 



 

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite

 Exemple Exemple

dBHz N

C / _o ) _D 148 . 0 203 . 8 55 . 8

(    

dBHz N

C /

)

120 . 0 203 . 8 83 . 8

(    

Terme

dominant

 Facteurs de perturbation de la qualit Facteurs de perturbation de la qualit é é d’ d ’ un lien satellite un lien satellite

] [

] [

] [

] /

[ ]

/

[ C N _{o R}  C N _{o S}  D _F  D _I  I _G

Requis Calculé

Théoriquement

Dégradation fixe de la liaison

Interférence

Amélioration par codage numérique (ex. Viterbi)

b

b

R

N E N

C  

0 0

) / 2 (

1

N

E erfc

BER 

IV. IV. Qualit Qualit é é d d ’ ’ un lien de communication par un lien de communication par satellite

satellite