Optimisation d'une liaison faisceaux hertziens numériques

Optimierung einer Richtfunkstrecke für das digitale Fernsehen

Diploma Thesis , 2006 , 116 Pages , Grade: 1,3

Engineering - Communication Technology

This report contains the development of a DVB-T link, using OFDM modulation in order to increase the resistance against fading. It starts with an extract of the recommendations of the International Telecommunication Union (ITU) about microwave links. In particular, we developed a detailed radio link budget taking into account the effects of fading. A channel model was created modelling an overland path. The report shows in detail the practical development in laboratory consisting in assembling the link model using the OFDM modulation. This work includes a test of the model with the channel model found. Furthermore, a diversity technique increases even more the efficiency, by transmitting the signal through two different frequency channels: the receiver chooses the less affected channel by switching between them. An MPEG transport stream switcher does this. Its development is also explained in the report. Finally, the installation of an experimental link in a fading polluted region and the analysis of the first results are being showed.

Table des matières

Remerciements

Table des matières

Table des figures

List des tableaux

Glossaire

1 Introduction

2 Présentation de l’entreprise
2.1 TDF en bref
2.2 Le groupe TDF
2.3 Présentation de la direction technique
2.4 Présentation de la Dtech Metz
2.5 Département Systèmes RF

3 Sujet de stage

4 Planification théorique
4.1 Base théorique
4.1.1 Introduction aux transmissions numériques
4.1.2 Quaternary Phase Shift Keying
4.1.3 Orthogonal Frequency Division Multiplex
4.1.4 Chaîne DVB-T
4.1.5 Transmission hertzienne
4.2 Bibliographie UIT
4.2.1 L'Union internationale des télécommunications
4.2.2 Résumé des recommandations trouvées
4.2.3 Effet de l'atmosphère sur la liaison
4.2.4 Estimation de l’évanouissement temporaire
4.2.5 Variation de facteur к avec le temps
4.2.6 Estimation du retard d'un écho réfléchi sur sol
4.2.7 Estimation de taux d'amélioration

5 Transmission en modulation OFDM
5.1 Développement de la maquette de transmission
5.1.1 Synoptique
5.1.2 Adaptations diverses
5.1.3 Bruit de phase des oscillateurs locaux
5.1.4 Possibilités pour améliorer le bruit de phase
5.1.5 Comparaison de MER et SNR
5.1.6 Atténuation maximale des plusieurs étapes
5.1.7 Solution finale
5.2 Développement du modèle de canal
5.2.1 Théorie propagation hertzienne
5.2.2 Modèle synthétisé
5.2.3 Modèles standards
5.2.4 Modélisation à partir des mesures
5.2.5 Test de certains profils
5.2.6 Modèle final
5.3 Comparaison OFDM QPSK
5.3.1 Objectif
5.3.2 Synoptique de test
5.3.3 Résultats des mesures
5.3.4 Problèmes rencontrés
5.3.5 Conclusion

6 Technique de diversité
6.1 Possibilités de diversité
6.2 Choix de la technique de diversité
6.3 Commutateur MPEG-TS
6.3.1 Introduction
6.3.2 Contenu de l'EPLD
6.3.3 Validation des entrées et sorties des FIFOs
6.3.4 Synchronisation des deux voies
6.3.5 Principe de la commutation
6,4 Test de diversité

7 Test sur site
7.1 Introduction
7.2 Analyse des résultats préliminaires

8 Bilan

9 Conclusion

Annexe A : Synoptique des maquettes

Annexe B : Machines d'état

Annexe C : Code source de l'EPLD

Remerciement

Je tiens à remercier M, Pierre Kasser, responsable du département sys­tème RF, et M, Michel Richard, Ingénieur technique, pour m'avoir proposé ce sujet intéressant et motivant et pour m'avoir si bien accueilli et encadré pendant le stage. De plus je les remercie pour m'avoir permis de partir en mission pour déployer les équipements développés et expérimentés durant ce stage, ce qui m'a beaucoup apporté.

Je tiens à exprimer ma gratitude à l'ensemble du personnel ainsi qu'aux stagiaires de l'entreprise TDF DTECH METZ pour la bonne ambiance qui régnait.

Enfin je remercie mes amis de la région de Würzburg et Heidelberg pour le soutien qu'ils m'ont apporté pendant mon séjour à l'étranger. Finalement mes sincères remerciements vont à ma famille qui m'a aidé pendant toutes mes études et sans qui je n'aurais pu obtenir mon diplôme.

Table des figures

1.1 Couverture de TNT en France

2.1 Organisation de la direction technique

2.2 Site de DTech Metz

4.1 Synoptique d'un système en transmission numérique

4.2 Visualisation de MER

4.3 Bandes VHF et UHF

4.4 Synoptique d'une chaîne d'émission DVB-T

4.5 Mécanisme d'entrelacement

4.6 Exemple d'une liaison terrestre

4.7 Synoptique d'une liaison hertzienne

4.8 Trajet d'un signal comme fonction de facteur к

4.9 Paramètres hydroclimatiques de la Bretagne

4.10 Facteur к et réfractivité dN/dh sur l'année 2005

4.11 Retard sur le changement climatique

4.12 Estimation de taux d'amélioration

5.1 Synoptique spécifique de la liaison en OFDM

5.2 MER en mode 2k 6ΙΟΛΜ

5.3 Gabarit pour le bruit de phase

5.4 Synoptique de la solution préliminaire

5.5 Réponse impulsionnelle

5.6 Propagation d'une onde sur sol

5.7 Fading central à 114,5 MHz, fading décentré

5.8 Fading décentré à 113 MHz

5.9 Fading hors bande à 120 MHz

5.10 C/N en modulation QPSK avec différents types de canal ...

5.11 Comparaison de BER en OFDM et QPSK

5.12 Signal modulé en QPSK sous fading

5.13 Synoptique du test en OFDM

5.14 Synoptique du test en QPSK

5.15 Atténuation maximale de modulation

5.16 Atténuation maximale de modulation OFDM

5.17 Atténuation maximale avec un oscillateur interne

5.18 Atténuation maximale avec un oscillateur externe

5.19 C/N en modulation QPSK

5.20 C/N en modulation OFDM

5.21 Atténuation maximale OFDM

6.1 Différentes techniques de diversité

6.2 Deux voies en OFDM dans un canal SHF

6.3 Taux d'amélioration sur la profondeur d'évanouissement ...

6.4 chronogramme d'une trame MPEG

6.5 Schématique principale du commutateur

6.6 Résumé EPLD

6.7 Validation d’éntrée et sortie

6.8 Synchronisation des sorties

6.9 Commutation des voies (CS)

6.10 Synoptique du test de diversité

7.1 Carte de la Bretagne avec la liaison expérimentale en vert , ,

7.2 Relais hertzien de Flessala et l'émetteur de Vannes

7.3 Matériel installé à Flessala

7.4 Matériel installé à Vannes

7.5 Pertes de synchronisation par heure

7.6 Erreur de continuité par heure

7.7 Pertes de synchronisation

7.8 Courbe de CAG pour le 28 juillet

7.9 Courbe de CAG pour le 29 juillet

7.10 Paramètres hydroclimatiques 26 au 30 juillet

7.11 Facteur de radian effectif 26 au 30 juillet

Liste des tableaux

2.1 Chiffres clés de TDF

2.2 Histoire de TDF

4.1 Relation entre mot binaire et phase en QPSK

4.2 Paramètre de la modulation OFDM

4.3 Dates importants dans l'histoire de UIT

5.1 Valeur maximale de bruit de phase

5.2 Bruit de phase des faisceaux

5.3 Bruit de phase avec changement de Quartz

5.4 Bruit de phase des faisceaux

5.5 Comparaison de MER pour différente combinaison de LO ...

5.6 Atténuation maximale

5.7 Modèle synthétisé

5.8 Modèle de canal pour les tests des systèmes CSM

5.9 Modèle laboratoire de l'ETSI

5.10 Trajets du modèle de canal 'Bretagne'

5.11 Trajets sous test

5.12 Configurations et débits en modulation QPSK

5.13 Configurations et débits en modulation OFDM DVB-T , , , ,

5.14 Points de référence

6,1 Structure de la machine CS

Glossaire

illustration not visible in this excerpt

Chapitre 1 Introduction

Depuis quelques années, le numérique est à l'honneur dans le domaine de l'audiovisuel. Attendue pour la fin de l'année 2002, la Télévision Numérique Terrestre (TNT) a débarqué sur les ondes françaises depuis mars 2005,

La France est un peu en retard par rapport à ses voisins européens. En effet, la Grande-Bretagne bénéficie de la télévision numérique depuis 1998, la Suède depuis 1999 de même que l'Espagne, La Finlande a démarré son lancement commercial en 2001, l'Allemagne en 2002, les Pays-Bas et l'Italie en 2003, La France fait donc partie des derniers pays à prévoir un lance­ment commercial de la télévision numérique terrestre. Elle bénéficie ainsi de l'expérience menée dans les autres pays afin de faire de la télévision numérique une véritable réussite, [Thi06] Le 15 juin 2006, 19 émetteurs supplémentaires ont commencé à émettre et permettent à 58,5% de la population de recevoir les programmes de la TNT, A partir d’octobre 2006, 22 nouveaux émetteurs permettront de couvrir 65 % de la population française, [Sit06a]

La zone de couverture est marquée en bleu sur la carte ci-dessous, La diffusion terrestre hertzienne, qui reste le mode unique de réception de la télévision pour 80% des foyers français, peut, aujourd'hui, après le câble et le satellite, bénéficier des techniques de compression numérique. L'élargissement de l'offre de programmes peut être l'occasion d'un nouveau développement de l'industrie audiovisuelle française. En outre, la numérisation de la diffusion libérera à terme des fréquences pour d'autres usages, accroissant ainsi les possibilités d'usage de cette ressource limitée qu'est le spectre hertzien.

Les deux problèmes majeurs de la diffusion radioélectrique terrestre sont liés à la propagation des signaux et à la planification des fréquences. Pour pouvoir analyser l'influence de ces paramètres sur le réseau de diffusion, le

illustration not visible in this excerpt

Figure 1,1 Couverture de TXT en France au début 2006 [SitOGaJ

centre de la direction technique de TDF situé à Metz surveille tous les sites de diffusion et de réception TXT en France. Les émetteurs et les réémetteurs (relais) sont équipés par des appareils de mesure qui enregistrent la qualité du signal. Au cours du déploiement de la télévision numérique certaines régions ont connu des problèmes sur le réseau de transport par faisceau hertzien alimentant les émetteurs principaux,

La Bretagne est au centre des investigations aujourd'hui, car les mesures indiquent de nombreuses coupures de transmission liées aux évanouisse­ments de signal. Cet effet, appelé fading en anglais, est la conséquence de la réflexion des ondes sur les obstacles et couches atmosphériques (échos) et survient fréquemment dans cette région.

Le travail de stage présenté dans ce rapport doit permettre de résoudre ce problème avec l'aide de la modulation OFDM. développée spécialement pour des environnements fortement bruités par des échos, et une technique de diversité. Cette dernière améliore la qualité de transmission en exploitant les répliques du signal et en reconstruisant le contenu original. Les travaux consistent à spécifier et à vérifier une maquette en laboratoire, et à vérifier son application sur des sites perturbés.

Chapitre 2 Présentation de l’entreprise

2.1 TDF en bref

Partenaire des télévisions, radios, opérateurs de télécommunications et collectivités locales, TDF est un opérateur et un prestataire de services de référence dans les domaines de l’audiovisuel, de la téléphonie mobile et du haut débit. Le tournage vidéo, la diffusion analogique et numérique de la télévision et de la radio, le déploiement, la maintenance et la gestion des réseaux de télécommunications, font partie de ces domaines de prédilections. Pour ce faire, les services de TDF s’appuient sur une expertise reconnue, un parc hertzien de plus de 7500 sites, une proximité des équipes, et un service client de qualité.

Tourné vers l’avenir, le Groupe s’affirme au plan européen comme un ac-

illustration not visible in this excerpt

Table 2.1 - Chiffres clés de TDF

illustration not visible in this excerpt

Table 2,2 - Histoire de TDF

teur dynamique de la convergence entre audiovisuel et télécommunications (DVB-H), et un partenaire majeur de l’aménagement numérique des terri­toires (TNT, WiMAX). Depuis 2002, TDF est une entreprise certifiée ISO 9001 version 2000 pour l’ensemble de ses services.

2.2 Le groupe TDF

En France métropolitaine, TDF SA est divisée en 5 directions régionales : nord-est, sud-ouest, sud-est, Paris et ouest, outre-mer. Elles sont situées en France et également en Europe, Cognacq-Jay Image, Espace Numérique, Me­diamobile, Sofratev, TV-Radio,com et Visual 102 ont leur siège en France comme TDF SA, Par contre MCR (Monaco), Axion (Espagne), PSN (Po­logne) et Levira (Estonie) sont à l'extérieur de la France,

illustration not visible in this excerpt

2.3 Présentation de la direction technique

La direction technique de TDF pilote les processus "Etude & Ingénie­rie", et "Mesures et ingénierie des fréquences". Elle est répartie sur Paris, Rennes et Metz. Son rôle est de définir la politique R&D en cohérence avec la stratégie du groupe TDF, d’orienter, développer la veille technologique, d’anticiper les évolutions techniques, de concevoir et de mettre en œuvre les équipements, réseaux et systèmes ainsi que de protéger et de valoriser le patrimoine intellectuel de l’entreprise.

L'organigramme ci-dessous montre l'organisation de la direction tech­nique en entier. Parmi les départements qui sont à Metz le stage se déroule dans celui de systèmes RF.

2.4 Présentation de la Dtech Metz

La Dtech Metz a pour but principal d'analyser les nouveaux services et nouvelles technologies pour les besoins de TDF. Les 80 ingénieurs et cher­cheurs, développent des solutions dans les domaines suivants.

L’ingénierie des réseaux et des sites de TDF : Prédiction de couverture,

illustration not visible in this excerpt

Figure 2,2 Site de DTech Metz [SitOGaJ

planification des réseaux analogiques et numériques : FM. DAB. TV numé­rique. GSM et UMTS, compatibilité électromagnétique, analyse de parcs de sites radioélectriques.

La mesure de la qualité des services de diffusion et la gestion des réseaux : Outil de mesure audio et vidéo de la qualité de signaux de télévision numé­rique, mesure de la qualité de la réception fixe et mobile, écoute à distance et mesure en continu de la qualité de signaux FM, système de gestion à distance des services, réseaux et équipements de diffusion.

Les nouvelles technologies et les nouveaux services : Diffusion audiovi­suelle sur Internet : chaînes d'informations locales composées à partir de pages web et diffusées dans les transports en commun ou dans les immeubles, télévision interactive : voie de retour hertzien, radiolocalisation de flottes de véhicules (camions, transports en commun, taxi, ambulances, pompiers etc).

Dans ses domaines de compétence, la DTech Metz commercialise égale­ment des prestations d'étude ou d'expertise et valorise son savoir-faire (trans­fert technologique, brevets) De plus, la certification ISO 9001 de l'ensemble de ses activités et l'accréditation COFRAC (Conv, 1-0747) de certains essais CEM (Compatibilité Electro-Magnétique) permettent à la Diedi Metz de ga­rantir à ses clients les coûts, délais et performances des prestations réalisées.

2.5 Département Systèmes RF

Le stage s’est déroulé dans le département Systèmes RF du service réseaux de la direction technique, situé dans son intégralité à Metz, Son responsable est Monsieur Pierre Kasser, Sa mission est définie par les points suivants :

- Réaliser des prestations techniques d'expertise, d'essais d'expérimen­tation, et de soutien pour le compte de TDF, la DTECH ou pour des tiers
- Réaliser des prestations d'ingénierie, de maîtrise d'œuvre et de concep­tion dans le domaine de la Télévision Numérique de Terre
- Maintenir et développer les compétences en Métrologie, les méthodes et moyens d'essais, gérer les infrastructures d'essais
- Maintien de l'accréditation COFRAC délivrée au Laboratoire CTE pour des prestations d'essais en CENI
- Contribuer au développement du chiffre d'affaire du programme Valo­risation de la DTECH
- Dans les domaines maîtrisés, assurer un maintien de l'état de l'art

Ses activités sont diverses :

- Expertise et tests d’équipements de radiodiffusion et de radiocoms (CENI, fonctionnels, RF)
- Développement de la métrologie relative aux essais et expérimentations
- Sécurité des personnes relative à l’exposition aux champs radioélec­triques
- Spécification de systèmes radiofréquences et annexes, réalisation de pro­totypes en relation avec des industriels, soutien à leur déploiement
- Veille technologique, suivi et actions de normalisation

Chapitre 3 Sujet de stage

Le stage est lié au développement des liaisons TNT en France, Il s'agit de faire le point sur les aspects propagation et systèmes de faisceaux hert­ziens dans les bandes 8 et 22 GHz et étudier les apports des techniques de diversité permettant d'améliorer les taux de disponibilité. Le développement devra commencer avec la bibliographie et l'étude des recommandations UIT sur les faisceaux hertziens. Le matériel dans le laboratoire permettra de faire des manipulations pour construire une maquette de la liaison exemplaire et de tester un prototype de diversité. Après ces parties une installation de la liaison sur site sera mise en place avec une analyse des résultats. Tous ces travaux seront effectués en coopération avec le responsable de département Systèmes RF Pierre Kasser et l'ingénieur M. Richard et avec l'aide des col­lègues de TDF, Le rapport se divise en trois grands chapitres.

Le premier introduit la base théorique des techniques de transmission numérique et la propagation hertzienne. Il montre aussi un résumé des re­commandations UIT et avec leur aide, une estimation de certains paramètres d'une liaison particulière. Les deux chapitres suivants entrent dans le détail du développement des deux solutions d'amélioration de la disponibilité. Le chapitre 5 commence avec l'application de la modulation OFDM à la liaison défectueuse. Comme elle était créée pour des environnement fortement per­turbés par les échos elle augmente déjà la résistance contre les effets de fading, La modélisation d'un canal et les tests avec l'ancienne et la nouvelle modu­lation seront présentés après. Le chapitre 6 traite de la solution de diversité choisie pour la liaison. Il s'agit d'une diversité duale ce que veut dire une solution avec deux voies réceptrices que nous choisirons sur deux fréquences différentes, La plupart du chapitre parle de l'achèvement d'un commutateur de flux MPEG, Il est fini par les tests sur la maquette représentative de la liaison. Un dernier chapitre finira le sujet par l'analyse des résultats mesurés sur site et l'évaluation des travaux.

Chapitre 4 Planification théorique

4.1 Base théorique

4.1.1 Introduction aux transmissions numériques

Les systèmes de communications numériques sont des dispositifs qui per­mettent de transmettre des informations numériques ou numérisées entre une source et un destinataire. Le spectre de ces informations à transmettre est en général concentré autour des basses fréquences et on appelle signal en bande de base ces informations.

L'architecture d'un tel système est donnée sur la figure ci-dessus et on retrouve des blocs communs avec un système de transmission analogique : la source de message, le modulateur, le canal de transmission, le démodulateur et le destinataire de message, La transmission des informations proprement dite s'effectue, entre l'émetteur et le récepteur sur un support de propaga­tion qui peut être un support cuivre, une fibre optique ou en espace libre. Ce milieu de transmission peut être modélisé comme un filtre linéaire et est soumis à l'influence du bruit. Ce canal de transmission, décrit par un mo­dèle (bruit blanc gaussien additif, trajets multiples, effet doppler) influence les performances de la liaison numérique telles que son le taux d'erreurs bi­naires et la dispersion intersymbole. Le taux d'erreur binaire est le rapport entre le nombre d'erreurs commises au niveau du récepteur et le nombre de bits reçus par le récepteur. Cette quantité dépend, entre autres, du rapport signal sur bruit à l'entrée du démodulateur, [Fou05] Sur le canal de trans­mission le signal transmis est normalement modulé sur un signal porteur. Le principe général des modulations numériques consiste à faire varier une

illustration not visible in this excerpt

Si ces données numériques sont constituées de bits traités un à un. on parle de modulations univalentes et si on traite les informations par mot de n bits, on parle de modulations plurivalentes. La précision de la modulation s'exprimes dans le ratio de l'erreur de la modulation (MER). [Fou05j

illustration not visible in this excerpt

en partie SI et SQ du point idéal relié. Un MER élevé correspond à une faible erreur et une bonne précision, [etsOlJ

4.1.2 Quaternary Phase Shift Keying

Ce type de modulation fait varier la caractéristique de phase d'une por­teuse en (pâtre états. En conséquence Quaternary Phase Shift Keying (QPSK, 4-PSK, MD4P) encode 2 bits par symbole donc il est plurivalent. En utilisant le code gray les mots voisins ne diffèrent que d'un seul bit.

illustration not visible in this excerpt

Table 4,1 Relation entre mot binaire et phase en QPSK

L'image suivante montre bien un signal exemplaire qui porte l'information d'une trame aléatoire, La forme de signal change après le temps de symbole Ts. Car la trame est modulée sur une porteuse, c'est pour cela qu'on qualifie QPSK de modulation mono porteuse. Le débit maximal en QPSK dépend en général de la bande disponible pour le signal et les paramètres choisis. Quant un filtre réel n’est pas idéal il faut respecter une certaine marge entre le canal utilisé et la bande disponible pour le signal transmis. Le filtre optimal garde le premier critère de Nyquist. La fonction de transfert montre la bande utilisable W qui dépend du temps de symbole Ts et le coefficient d’arrondi (roll off) compris entre 0 et 1, [Fer93] [Kam04]

illustration not visible in this excerpt

Multiplié par le nombre de bits par symbole nb on reçoit le débit maximal possible (D),

Le rendement du code Reed Solomon est égal à 188/204, Pour corriger les erreurs lors d'une perturbation le code convolutif ajoute des redondances dans la trame. Selon son rendement, qui est égal au FEC, le débit final de la liaison varie. Par exemple, dans une bande de 7 MHz avec une modulation QPSK et un FEC de 1/2 on arrive à transmettre 9,22 MBit/s sur le canal de transmission.

illustration not visible in this excerpt

4.1.3 Orthogonal Frequency Division Multiplex

On a créé ce type de modulation pour être performant dans un environ­nement perturbé par les échos. Si on utilise une modulation monoporteuse, comme QPSK par exemple, pour transmettre des informations sur ce canal les échos gênent en deux cas principaux.

Le dernier signal reçu avec un retard τ arrive après le passage au prochain symbole. Dite autrement le débit symbole est grand devant 1/τ, Au niveau de récepteur, on recueille la recombinaison du trajet direct avec les trajets retardés. Alais dans ce cas les différents symboles vont se mélanger entre eux ce qui est appelé interférence intersymbole (ISI),

Dans le cas d'une situation inverse, l'interférence intersymbole affecte une part négligeable du symbole. Cependant on est contraint à transmettre les informations à un débit très faible. Pour résoudre ce problème l'Orthogonal Frequency Division Afultiplex (OFDAI) utilise plusieurs porteuses modulées à bas débit. En conséquence on peut l'appeler une modulation multiporteuse. On tolère l'interférence intersymbole durant un faible intervalle de temps que l'on ne va pas considérer dans le récepteur. Cet intervalle s'appelle l'intervalle de garde du système (Δ), Il est la prolongation par continuité du tronçon de sinusoïde constituant la partie dite "utile" du symbole (tu), Une modulation multiporteuse amène un problème d'interférence interporteuse. En regardant le spectre du signal multiporteuse, les porteuses peuvent se perturber entre elles si les fréquences ne sont pas bien choisies. Pour éviter cela on introduit l'orthogonalité des signaux porteurs, La condition d'orthogonalité de deux signaux x0 et x1 est montrée ci-dessous,

illustration not visible in this excerpt

L'orthogonalité ne vaut que sur la partie utile du symbole. Pour des si­gnaux x0(t) = sin(w01) et xi(t) = sin(2w0t) par exemple la condition de­vient vraie. Les trois signaux sur la figure ci-dessous montrent cette relation. Comme conséquence les spectres des porteuses s'ajoutent au spectre du si­gnal modulé sans s'influencer mutuellement, [Kam04] L'information à trans­mettre, quelle que soit son débit, est répartie sur ces porteuses distinctes, émises simultanément, et modulées individuellement avec un débit assez bas. Finalement le débit total des données transmises est très élevé et une grande résistance contre les échos est conférée. Chaque porteuse elle-même peut être modulée individuellement. Cela permet de faire varier le débit dans une grande plage,

La reconnaissance de signal au niveau du récepteur est optimisée avec des porteuses pilotes. Parmi un certain nombre de porteuses on trouve 1/12 de porteuses pilotes. Ils contiennent des informations supplémentaires sur la configuration des modulateurs et des données prédéfinies servant à la syti­

illustration not visible in this excerpt

Figure 4,3 - Bandes VHF et UHF [Bel06]

chronisation et verrouillage des démodulateurs sur le signal reçu.

Finalement le codage produit une redondance qui assure au récepteur la possibilité de reconstituer les informations perdues lors de la transmission, grâce à la corrélation qui les lie aux informations correctement reçues. Car un canal comporte souvent comme un filtre qui donc atténue des porteuses parti­culières, la modulation OFDM contient aussi une technique d'entrelacement. C'est pourquoi les informations sont transmises sur des porteuses éloignées dans le domaine fréquentiel. Ce principe sera expliqué en détail dans le pa­ragraphe suivante, [Kam04]

4.1.4 Chaîne DVB-T

La télévision numérique terrestre (TNT), ou Digital Terrestrial Television (DTTV), est un système de diffusion numérique utilisant les normes MPEG- 2/DVB-T, Elle est diffusée dans les bandes déjà utilisées pour la diffusion des chaînes hertziennes analogiques, La figure 4,3 permet d’avoir une vue du spectre à ces fréquences. Les bandes VHF-I, VHF-III, UHF-IV et UHF- V sont utilisées pour la diffusion de la télévision analogique, La TNT sera diffusée dans les bandes UHF-IV et UHF-V, ce qui correspond au canaux de 21 à 69, respectivement de fréquence centrale allant de 474 et 858 MHz, On rappelle que chaque canal possède une largeur de 8 MHz, [Bel06]

Le système de transmission DVB-T est structuré en différentes étapes marquées ci-dessous. Les paragraphes suivants expliqueront ces étapes en détail. Le flux MPEG-TS est le signal d'entrée à bande de base qui contient toutes les informations sur les chaînes transmises et ses contenus. Avant d'être modulé sur une porteuse, le flux est traité en trois étapes principales. Après

illustration not visible in this excerpt

Figure 4,4 Synoptique d'une chaîne d'émission DVB-T

une dispersion d'énergie de la trame numérique, le flux passe par les codeurs et entrelaceurs de système afin d'être modulé et convertit en signal analo­gique.

Dispersion d’énergie Ce brassage sert à effectuer une dispersion d'éner­gie. c'est à dire une répartition uniforme de l'énergie dans le canal afin ď évi­ter les longues suites de 1 ou de 0. ce qui pourrait par exemple empêcher la récupération de l'horloge.

Traitement externe Codage externe : Afin de pouvoir corriger la majeure partie des erreurs introduites par le canal de transmission, on introduit une redondance dans le signal permettant de détecter et de corriger ces erreurs. Le code utilisé est un code de Reed-Solomon, Ce code s'applique sur les 188 octets des paquets de transport TS brassés et 16 octets y sont rajoutés pour le contrôle

Entrelacement externe : Le codage de Reed-Solomon est particulièrement bien adapté à la correction d'erreurs isolées. Pour éviter les erreurs en rafale, on utilise un entrelaceur. ce qui permet de rendre plus efficace la correction par le codage de Reed-Solomon. En effet, les erreurs en rafale apparues lors de la transmission sont séparées lors de la réception.

Traitement interne Codage interne : Comme le canal de transmission hertzien est un canal fortement perturbé, il convient de renforcer encore les mesures de protection des données à transmettre par l’ajout d'un deuxième code correcteur d'erreurs : le code convolutif. Ce code est très efficace ruais il double le débit initial. Afin d'en améliorer le rendement qui est de 1/2.

illustration not visible in this excerpt

Figure 4,5 Mécanisme d'entrelacement [BelOGj

on va effectuer une opération de poinçonnage (rendement du poinçonnage de 3/2 dans la plupart des cas). Le rendement total du codage interne (appelé code rate) peut posséder différentes valeurs. L'augmentation du rendement du code améliore le débit net d’information ruais diminue la robustesse du signal aux erreurs.

Entrelacement interne : L’entrelaceur placé ensuite consiste à un entre­lacement bit et un entrelacement symbole : en effet, dans un premier temps a lieu un entrelacement des bits d’un même symbole, puis un entrelacement des symboles est effectué. Ceci permet d’éviter l’apparition de salves d’erreur à l’entrée du décodeur de Viterbi,

Construction du signal analogique Le système DVB-T utilise une mo­dulation OFDM avec deux modes de fonctionnement principaux qui diffère dans le nombre de porteuses utilisé. Le fait d'avoir plus de porteuses permet de ralentir le débit symbole. Comme conséquence l'intervalle de garde est beaucoup plus long. Par contre les fréquences centrales des porteuses sont moins espacées. Pour la modulation de chaque porteuse on dispose de trois niveaux avec différent nombre de bits transmis par symbole. [BelOGj

Une trame transporte des données, des cellules pilotes dispersées, des porteuses pilotes continuelles et des porteuses TPS. En plus les porteuses TPS sont utilisées pour signaler des paramètres reliées au schéma de trans­mission. c'est à dire au codage de canal et à la modulation. Finalement un convertisseur analogique numérique sort le signal en modulation OFDM pour l'émetteur DVB-T. Avec tous ces paramètre on peut calculer le débit D possible avec chaque configuration. Le flux des données est codé en Reed-

illustration not visible in this excerpt

Solomon avec le rendement de 188/204, Le rendement du code convolutif (rCR) est à choisir individuellement. Chaque porteuse porte l'information d'un certain nombre des bits nb selon le type de modulation. Finalement une trame OFDM est constituée de 6817 porteuses en mode 8k parmi 6048 uti­lisées pour le transport des données (np), Chaque symbole a une durée de tS = 896μs en mode 8k, Donc F temps pour le transport est tS plus le temps d'intervalle de garde tGI.

illustration not visible in this excerpt

Par exemple en utilisant 8k O IQA.XI. c'est à dire 6048 porteuses utiles et 6 nombre de bits par symbole avec un intervalle de garde de 1/32 — 28 ms et un rendement de codage de 2/3 on reçoit :

4.1.5 Transmission hertzienne

Transmission en générale, est l'action de transporter une information (si­gnal) depuis un point origine (émetteur) jusqu'à un autre point plus ou moins distant appelé récepteur. En particulier TDF a défini plus précisément que

illustration not visible in this excerpt

Figure 4,6 Exemple d'une liaison terrestre avec des stations relais inter­médiaires [Ben05j

illustration not visible in this excerpt

Figure 4,7 Synoptique d'une liaison hertzienne [Ben05j

c'est le transport de signaux analogiques ou numériques par un système ter­restre ou satellitaire. Le système terrestre, ici les faisceaux hertziens, est un système de transmission radioélectrique comportant, en général, des stations relais intermédiaires entre le point de départ du signal et le point d'arrivée.

Les stations successives peuvent être soit en visibilité directe, soit au- delà de l'horizon (liaison transhorizon). Les faisceaux hertziens transhorizon utilisent la diffusion des ondes électromagnétiques dans la troposphère alors que les faisceaux hertziens en visibilité supposent un trajet entre antennes d'émission et de réception suffisamment dégagé de tout obstacle.

Un exemple d'une maquette de transmission hertzien est données ci- dessous. On trouve le modulateur d'une porteuse pour l'information en fré­quence intermédiaire. Un émetteur remet le signal sur un canal SI IF. les fréquences de 3 à 30 GHz. Le récepteur fait la même opération inversée.

Le bilan de la liaison type commence avec la puissance à l'entrée du sys­tème. Elle est multiplié par les gains des antennes qui dépendent du diamètre. [BP07J

illustration not visible in this excerpt

Dans cette relation, appelée parfois bilan de puissance en espace libre Pr et Pe sont respectivement les niveaux de puissance émise et reçue exprimés l'un et l'autre, soit en dBW, soit en dBm Ab est la somme en dB de toutes les pertes dans les circuits radiofréquences à l'émission et à la réception et Ge + Gr la somme des gains des antennes d'émission et de réception, [FM91]

4.2 Bibliographie UIT

4.2.1 Présentation de l'Union internationale des télé­communications

LUIT, dont le siège est à Genève (Suisse), est une organisation interna­tionale du système des Nations Unies au sein de laquelle les Etats et le secteur privé coordonnent les réseaux et services mondiaux de télécommunication.

illustration not visible in this excerpt

Table 4,3 - Dates importants dans l'histoire de UIT

Les trois Secteurs de l’UIT - Secteur des radiocommunications (UIT-R), Secteur de la normalisation des télécommunications (UIT-T) et Secteur du développement des télécommunications (UIT-D) - collaborent aujourd’hui à la mise en place des réseaux et des services de demain. Leurs activités s’étendent à toutes les branches des télécommunications : normalisation vi­sant à faciliter l’interfonctionnement transparent des équipements et des sys­tèmes à l’échelle mondiale, adoption de procédures d’exploitation pour une gamme de services hertziens qui ne cesse de s’élargir, élaboration de pro­grammes destinés à améliorer les infrastructures de télécommunication dans les pays en développement, [Sit06e] Parmi les trois secteurs l’UIT-R est ce­lui d'importance pour le sujet de stage. Ce secteur élabore les caractéris­tiques techniques des services et systèmes hertziens de Terre et spatiaux et met au point des méthodes d’exploitation. Il effectue les études techniques sur lesquelles sont fondées les décisions d’ordre réglementaire prises par les conférences des radiocommunications. Ce chapitre va donner un résumé de plusieurs recommandations du secteur UIT-R et essayer d'utiliser des esti­mations de certains paramètres relié au sujet de stage. Les domaines traités sont premièrement les techniques de diversités et l'influence du changement climatique sur la disponibilité du signal au niveau de la réception.

4.2.2 Résumé des recommandations trouvées

Les recommandations disponibles contiennent plus au moins des informa­tions utiles pour le développement de la liaison. Ci-dessous une liste donne toutes les recommandations, utilisables pour le stage. Les titres montrent le numéro d'identification, le titre en anglais et l'année de la version entre parenthèse.

Recommandation ITU-R P.676-5: "Attenuation by atmospheric gases" (2001)

L'atténuation par les gaz atmosphériques dépend de la fréquence de transmission et du trajet de signal, La recommandation donne une estimation pour un trajet troposphérique et également pour le passage de toutes les couches atmosphériques.

Recommandation ITU-R P.453-9: "The radio refractive index : its formula and refractivity data " (2003)

L'index de réfractivité atmosphérique dépend des paramètres hy­droclimatiques, Il varie aussi avec le hauteur sur la terre. Le fiche donne finalement des valeurs de référence de toutes les zones cli­matique.

Recommandation ITU-R P.530-10: "Propagation data and pre­diction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems" (2001)

Une recommandation très importante pour le développement ď une liaison en vue est celui-ci. Il explique l'estimation de la dis­ponibilité du signal au niveau de réception et les dégradations causées par les évanouissements temporaires. De plus les formules permettent d'évaluer plusieurs possibilités pour améliorer la dis­ponibilité, Les techniques de diversité sont expliquées en détail.

Recommandation ITU-R F. 752-1: "Diversity techniques for ra­dio-relay systems" (1994)

Elle présente plusieurs solutions de diversités et les tests effectués.

Avec les résultats sous forme des graphiques on peut comparer des solutions. De plus elle donne les applications typiques.

Recommandation ITU-R PN.369-6: "Reference Atmosphere for refraction" (1994)

Formules pour calculer l'index de réfractivité de l'atmosphère de référence. Les formules utilisent le coefficient de réfractivité ex­pliqué dans la recommandation ITU-R P.453-9,

Recommandation ITU-R P.841-3: "Conversion of annual statis­tics to worst-month statistics" (2003)

Pour prendre en compte une certaine marge de sécurité en cours d'un développement d'une liaison il faut faire les calculs avec la pire situation possible. Le mois le plus défavorable (worst-month) donne les conditions les plus mauvaises pour la liaison. Le résul­tats des calculs basés sur les statistiques de ce mois imaginaire donne une liaison fortement résistante contre les effets naturels comme la pluie et les réflexions.

Recommandation ITU-R P. 1510: "Annual mean surface tempe­rature" (2001)

Cette recommandation peut être utilisée comme une base de don­nées, pour donner les paramètres hydroclimatiques moyens de chaque zone climatique d'une terre de référence.

Recommandation ITU-R F. 1093-1: "Effects of multipath propa­gation on the design and operation of line-of-sight digital-relay systems" (1997)

Méthodes possibles pour calculer la probabilité d'une coupure causée par le fading et montre les techniques de diversités et éga­lisation pour l'améliorer la disponibilité

Recommandation ITU-R F.1096: "Methods of calculating line-of- sight interference into radio-relay systems to account for terrain scattering" (1994)

La recommandation déduit les calculs à faire pour estimer l'influ­ence des réflexions diffuses au sol sur une transmission hertzienne.

Recommandation ITU-R P. 527-3: "Electrical characteristics of the surface of the earth" (1992)

Cette recommandation donne les formules et les courbes néces­saires au calcul de la permittivité et la conductivité électrique de différents types de terrain.

Recommandation ITU-R F.592-3: "Vocabulary of terms for the fixed service" (2002)

Celui donne une liste de vocabulaire utilisé dans la domaine de transmission par faisceau hertzien,

4.2.3 Effet de l'atmosphère sur la liaison

illustration not visible in this excerpt

On considère que la puissance reçue dépend de la puissance émise, des pertes dans les systèmes de transmission et de plus des affaiblissements at­mosphériques.

On distingue les facteurs de système des paramètres reliés à l'atténuation entre émetteur et récepteur, La différence entre le niveau de réception normal et le niveau minimal est appelé la marge brute.

illustration not visible in this excerpt

L’atténuation par les gaz atmosphériques est due presque uniquement à l’oxygène et à la vapeur d’eau, La relation suivante inclue l'affaiblissement dû aux gaz en dB par kilomètre, qui est données sous forme des courbes dans les recommandations. Cet affaiblissement varie avec la fréquence, [FM91] [ITU01]

illustration not visible in this excerpt

Par contre les affaiblissements linéiques dus à l’intensité de précipitation diminue la puissance reçue seulement pendant certaines périodes. L’affaiblis­sement linéique Atemp dépassé pendant un certain pourcentage de temps dans l’année moyenne s’applique sur une distance effective entre émetteur et ré­cepteur, Elle est calculée avec l’intensité de précipitation R en mm/h pour ce pourcentage de temps.

illustration not visible in this excerpt

Atemp Alin X Leff

avec : d : distance entre émetteur et récepteur

R : intensité de précipitation (mm/h)

Dans la somme avec les autres facteurs on reçoit la puissance minimale reçue dans le pourcentage du temps calculé,

4.2.4 Estimation de l’évanouissement temporaire

La disponibilité de service au niveau de récepteur est un facteur important dans la planification d’une liaison. Les effets des trajets multiples baissent la puissance reçue ce qui affecte la disponibilité dans le mauvaise sens. Pour une première estimation il faut calculer l’inclinaison ερ du trajet en milliradians avec les hauteurs d'antennes et la distance entre émetteur et récepteur,

illustration not visible in this excerpt

avec : d : distance entre émetteur et récepteur (km)

he et hr : les hauteurs d'antennes au-dessus du niveau de la mer (m)

Pour l'emplacement du trajet considéré il faut estimer le facteur géocli­matique к pour le mois le plus défavorable moyen,

illustration not visible in this excerpt

avec : dNl : gradient de réfractivité (cf ITU-R P.453)

[...]

• College: Mannheim University of Applied Sciences (Softwaretechnik und Datenkommunikation)
• Grade: 1,3
• Author: Michael Wiehl (Author)
• Publication Year: 2006
• Pages: 116
• Catalog Number: V153551
• ISBN (eBook): 9783640707546
• ISBN (Book): 9783640707539
• Language: French
• Tags: DVB-T, digitales Fernsehen, Selektiver Signalschwund, selective fading, Richtfunk, OFDM, Frequenzdiversität, diversity