Ultra Wide Band

Transcription

Ultra Wide Band

Conservatoire National des Arts et Métiers
Cours du Conservatoire National des Arts et Métiers
UWB
Version 1.0
Michel Terré
Novembre 2006
[email protected]
www.cnam.fr/elau
UWB
1
Tables des Matières
I
II
Introduction générale ................................................................................................ 3
Définition de l'ULB et Cadre réglementaire....................................................... 4
II.1 Bref Historique...................................................................................................... 4
II.2 Définition d'un signal ULB ................................................................................ 5
II.3 Contraintes Réglementaire de l' ULB ........................................................... 6
II.3.1 Problématique réglementaire ULB ........................................................ 6
II.3.2 Réglementation américaine ..................................................................... 6
II.3.3 Réglementation européenne ................................................................... 7
II.4 Quelques Applications de l'ULB ...................................................................... 9
II.4.1 L’ULB radar..................................................................................................... 9
II.4.2 Systèmes de communication ULB....................................................... 10
III
Formes d'ondes ULB ............................................................................................. 11
III.1 MBOA...................................................................................................................... 13
III.2 Forme d'onde Impulsionnelle........................................................................ 14
III.2.1 Généralités ................................................................................................... 14
III.2.2 Modulation d’impulsion en position (Pulse Position Modulation
PPM)
17
III.2.3 Modulation d’impulsion par inversion de polarité (BPM)............ 17
III.2.4 Modulation d’impulsion en amplitude PAM ...................................... 18
III.2.5 Modulation tout ou rien (On OFF Keying OOK).............................. 18
III.2.6 Eléments d'Architecture de réception................................................ 19
III.3 MBOOK................................................................................................................... 20
IV
Le canal de propagation...................................................................................... 22
V La capacité ................................................................................................................... 24
VI
Références................................................................................................................ 26
UWB
2
I
INTRODUCTION GENERALE
Ce polycopié présente les développements récents de systèmes de communications dits en
Ultra Large Bande (ULB ou UWB pour Ultra Wide Band). L'Ultra Large Bande a été
fortement mise en lumière ces dernières années (en particulier depuis 2002) et plusieurs
domaines d'application de ce type de systèmes de communications sont actuellement
envisagés.
Ce sont surtout des avancées technologiques dans le domaine de la conception d'horloges très
précises et dans la mise au point de mécanismes de génération d'impulsions ultra brèves (subnanoseconde), qui ont provoqué cet intérêt fort pour les transmissions ULB. Dans un premier
temps ce sont des formes d'ondes de type impulsionnelles qui ont été présentées. Cependant
l'objectif, en terme de transmission, étant surtout de générer un signal blanc dans une très
grande bande de fréquence, des alternatives à base d'OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplex) ont été avancées. Le "monde de l'ULB" s'est alors "scindé" entre les partisans de
l'impulsionnel et ceux des multiporteuses (OFDM).
UWB
3
II DEFINITION DE L'ULB ET CADRE REGLEMENTAIRE
II.1 BREF HISTORIQUE
Les études sur la génération et l’utilisation des impulsions ultra brèves ont commencé avant
les années soixante [1], mais le terme UWB n’a été introduit que vers 1989 par le département
de la défense des Etats-Unis. Le premier brevet sur l’application de l’ultra large bande aux
télécommunications est dû à G. F. Ross en 1973 [2]. Jusqu’en 1994, de nombreux travaux ont
été financés par le gouvernement américain mais sous le couvert de la confidentialité. Depuis
lors, l’étude des systèmes de transmission par impulsions tant dans le monde industriel
qu’académique a fait l’objet de nombreuses publications [3][4]. Le premier article décrivant
cette solution pour les télécommunications, connue sous le nom d’Impulse Radio (IR), est dû
à P.Withington et L. Fullerton [5] en 1992. Cet article a été suivi par des travaux académiques
démarrés par Scholtz [6] en 1993, et ce n’est qu’en 1997 que le terme UWB apparaît dans le
titre d’un article consacré à l’IR [7]. Depuis lors, les deux appellations cohabitent suivant les
auteurs.
En août 1998, la Federal Communications Commission (FCC) a fait paraître un avis
d’information publique (Notice of Inquiry) [8] afin d’évaluer la possibilité de permettre
l’utilisation de systèmes employant l’ULB. Suite à cette publication, une centaine de réponses
et commentaires ont été faits par les divers organismes et partenaires industriels impliqués de
près ou de loin dans l’utilisation de l’ULB. A la suite de ces commentaires, la Federal
Communication Commissions (FCC) aux Etats-Unis a adopté en mai 2000 un avis de
proposition de réglementation (Notice of Proposed Rule Making) dans laquelle, elle
reconnaissait les avantages que pourraient apporter les systèmes utilisant l’ULB dans de
nombreux domaines. La FCC a attribué finalement 7.5 GHz de spectre dans de la bande
[3.1 10.6 GHz] à l’ULB [9], et elle a autorisé son utilisation commerciale pour les
applications civiles.
UWB
4
II.2 DEFINITION D'UN SIGNAL ULB
Au cours de sa brève histoire, l’ultra large bande a d’abord eu une première définition donnée
par Taylor. Selon lui, le terme ultra large bande désigne les systèmes qui transmettent et
reçoivent des ondes dont la largeur de bande relative LBR (fractional bandwidth) est
supérieure ou égale à 0.25. La largeur de bande relative LBR est définie de la façon suivante :
LBR =
avec fC =
fH − fL
fC
(1.)
fH + fL
.
2
Dans cette expression fc représente la fréquence centrale de la transmission, fH représente la
fréquence supérieure de la bande de fréquences et fL représente la fréquence inférieure de la
bande de fréquences
Suivant cette définition de Taylor, un signal ULB doit donc occuper une largeur de bande (fHfL) supérieure ou égale à 25% de sa fréquence centrale. On remarque alors, de manière
anecdotique, que le "bon vieux" téléphone filaire qui occupe la bande 300-3400 Hz est ainsi
un signal ULB !
Cette première définition a donc été modifiée et remplacée par une nouvelle proposée par la
Federal Communication Commissions (FCC). Selon cette nouvelle définition, un signal ultra
large bande est un signal dont la bande passante à -10 dB excède à tout moment 500 MHz et
20% de sa fréquence centrale.
Enfin la bande principale prévue pour l'ULB se situe entre 3.1 GHz et 10.6 GHz. Cette bande
d'environ 7 GHz de large pourrait donc éventuellement être décomposée en 14 sous "canaux"
de 500 MHz. Un système de communication utilisant la totalité de la bande, ou un ensemble
des sous canaux de 500 MHz ou même un seul canal de 500 MHz sera donc considéré comme
un système ULB, à condition qu'il respecte les contraintes réglementaires en vigueur dans la
région du monde où il sera appelé à être mis en service.
UWB
5
II.3 CONTRAINTES REGLEMENTAIRE DE L' ULB
II.3.1
PROBLEMATIQUE REGLEMENTAIRE ULB
Une des idées maîtresses de l'ULB est de cohabiter dans des bandes de fréquences déjà
utilisées par d'autres systèmes de communications. L'avantage est immense, il permet d'éviter
de passer par un mécanisme d'allocation de licences pour utiliser des bandes de fréquence, et
il permet aussi d'éviter de se retrouver confiné dans les seules bandes dites sans licences
(exemple la bande ISM à 2.4 GHz) qui sont des bandes relativement étroites et qui risquent,
un jour, de se trouver saturées. Bien entendu l'approche ULB a l'inconvénient majeur de
risquer de brouiller des systèmes existants. Dès lors, toute forme d'onde ULB doit
"convaincre" ces autres systèmes, qui seront ses futures victimes, que le brouillage du signal
ULB sera négligeable et que son niveau se situera en dessous du niveau bruit thermique
naturel des équipements concernés. Dès lors on conçoit bien que le compromis réglementaire
est absolument crucial pour que l'ULB puise se développer.
II.3.2
REGLEMENTATION AMERICAINE
La réglementation américaine des systèmes ULB a été définie en février 2002 par la FCC via
un premier rapport et ordonnance sur la technologie ULB (First Report and Order on UWB).
La FCC a indiqué que les règles définies dans cette loi sont très prudentes, ainsi elle considère
que l’ULB ne perturberait pas les autres systèmes radio.
Dans cette loi, la FCC a fixé les limites de la bande de fréquences et des puissances autorisées
pour un système de communication ULB. Par ces limites, la FCC a tenu à protéger les
systèmes de communication existants en proposant la bande de 3.1 GHz à 10.6 GHz afin
d’éviter de perturber les services existants sur les bandes inférieures. Et toujours dans le souci
de protéger ces services, la FCC a imposé une limite de densité spectrale de puissance très
basse qui ne dépasse pas -41,3 dBm/MHz en puissance moyenne et 0 dBm/50 MHz en
puissance crête. Les figures 1-1(a) et 1-1(b) représentent respectivement les gabarits de
puissance définis par cette réglementation lorsque les équipements sont censés fonctionner en
intérieur (Indoor) ou en extérieur (Outdoor).
UWB
6
(b)
(a)
Figure 1 : masques spectraux définis par la FCC
(a) en Indoor ; (b) en Outdoor
La différence principale entre les masques spectraux d’une liaison en intérieur ou en
extérieur, présentés respectivement sur les figure 1(a) et 1(b), est le degré de l’atténuation très
élevée exigée sur la limite à gauche de la bande utile pour la liaison Outdoor. Ceci est justifié
par le souhait de protéger les récepteurs du système mondial de radiorepérage GPS (Global
Positioning System) situé dans la bande [0.96-1.61 GHz].
II.3.3
REGLEMENTATION EUROPEENNE
La commission européenne a mandaté le CEPT pour recommander une réglementation de
l’ULB en Europe. Ainsi, le groupe de travail TG3 s’est crée en mars 2004 au sein du CEPT
afin de se pencher sur cette question. La première proposition de ce groupe de travail a été
faite en octobre 2005, elle conserve les principales définitions faites par la FCC. Néanmoins,
elle propose des limites de puissance différentes et plus sévères dans la partie basse du spectre
par rapport aux gabarits de puissances de la FCC. Les figures 2(a) et 2(b) représentent
respectivement les gabarits de puissance proposés par le CEPT en octobre 2005 et février
2006.
UWB
7
(a)
(b)
Figure 2 : Masques spectraux définis par le CEPT
(a) Proposition d’octobre 2005 ; (b) Proposition de février 2006
Ces deux masques à eux seuls illustrent bien la problématique de la réglementation de l’ULB
en Europe où les niveaux autorisés sont sensiblement plus bas que les niveaux préconisés par
la FCC.
Les propositions européennes sont contraignantes en terme de protection des services de
communication existants. Par rapport à la FCC elles ajoutent 30 dB de protection envers les
bandes ISM (Industriel, Scientifique et Medical) centrées autour de 2,45 GHz ainsi qu'envers
les bandes autour de 5.8 GHz. Elles n’autorisent finalement les transmissions ULB à 41 dBm/MHz que dans la bande [6-9 GHz]. Elles possèdent cependant une certaine flexibilité
pour les bandes : [3,1-4,8 GHz] dans la proposition d’octobre 2005 et pour les bandes [3,44,8 GHz] dans celle de février 2006. Ces deux bandes seraient ainsi autorisées avec la valeur
FCC de -41 dBm/MHz, à condition de mettre en oeuvre des mécanismes d’atténuation
efficaces de type détection et évitement (DAA: Detect And Avoid). Enfin les deux
propositions autorisent transitoirement l’utilisation de la bande [4,2-4,8 GHz] jusqu’au 30 juin
2010 sans recourir à ces techniques d’atténuation.
UWB
8
Panorama de cohabitation
Comme il vient d'être précisé l’ULB doit coexister avec d’autres systèmes de communications
sans être la source de perturbation ou d’interférence pour ces systèmes. Quelques uns de ces
systèmes sont illustrés sur la figure 3 :
Figure 3 : Les différents systèmes coexistant avec l’ULB
II.4 QUELQUES APPLICATIONS DE L'ULB
II.4.1
L’ULB RADAR
A l’origine destinée pour des applications militaires, l’ULB peut être utilisée pour des
applications très variées. Dans le domaine du radar on peut citer le radar anticollision des
véhicules, les systèmes d’imagerie radar comme le radar de pénétration de sol ou le radar
d’imagerie à travers les murs.
Les radars à impulsion ultra large bande utilisent des impulsions très courtes de l’ordre de
quelques nanosecondes avec un spectre étendu qui va de quelques dizaines de MHz à
quelques GHz. Avec ces propriétés, le radar ULB a plusieurs avantages :
-
La brièveté des impulsions à fort contenu spectral permet de mesurer une réponse
transitoire de la cible très riche en information et de dissocier les différents échos en
réception. Cette particularité fait que cette technique est très robuste en présence de
multitrajets.
UWB
9
-
Le spectre large d’impulsions lui permet d’obtenir des résultats sur toute la bande à partir
d’une mesure unique. Il lui procure aussi un fort pouvoir de détection puisqu’il couvre
toute la bande.
-
La partie basse du spectre (cf gabarit FCC entre entre 0 et 1 GHz) favorise la pénétration
de l’onde à travers des obstacles comme le sol, la végétation ou les murs.
II.4.2
SYSTEMES DE COMMUNICATION ULB
L'ULB peut surtout être utilisée dans les systèmes de communications sans fil à courte portée.
On imagine actuellement son emploi dans deux grandes familles d'applications dites
respectivement "haut" et "bas" débit. Dans le domaine du bas débit (inférieur ou égal à 1
Mbit/s), on imagine des réseaux de type réseaux de capteurs avec plusieurs applications
possibles. En général l'aspect localisation fait partie des services envisagés. D'un point de vue
normatif on parle alors des travaux du groupe IEEE802.15.4a. L'autre domaine important est
l'ULB haut débit. Il s'agit alors de mettre au point des systèmes de communication à courte
distance (< 10m) mais avec des débits très importants (environ 400 Mbit/s). L'objectif est
alors de remplacer tout un ensemble de dispositifs de communications de type "cordon vidéo"
par exemple. Le groupe de normalisation correspondant était le groupe IEEE802.15.3a, mais
ce groupe s'est dissous de lui-même après avoir constaté qu'il n'arrivait pas à trouver une
solution de transmission, faisant le compromis des différentes propositions des membres du
groupe. Une suite de ce groupe est actuellement le regroupement ECMA qui a pour but de
définir une forme d'onde ULB haut débit.
UWB
10
III FORMES D'ONDES ULB
Dans le domaine des transmissions ULB, deux grandes familles de formes d’onde sont en
concurrence. Il s’agit d’une part des formes d’onde impulsionnelles qui sont, en quelque sorte,
les formes d’onde "historiques" de l’ULB, et d’autre part des formes d’onde multi-porteuses
(MBOA: Multiband-OFDM Alliance).
Derrière ces deux familles se retrouve, de manière plus générale, l’opposition entre les formes
d’onde dites " série " dans lesquelles le train de symboles de communications est transmis en
série et les formes d’onde dites parallèles pour lesquelles c’est, à chaque instant, un mélange
de plusieurs symboles qui est transmis.
L’analyse des derniers systèmes de transmission qui ont été développés et déployés montre
que ce sont, en très grande majorité, des formes d’onde parallèles qui ont été retenues. On
peut ainsi citer l’UMTS, la télévision numérique terrestre (TNT), les réseaux WiFi
(IEEE802.11g), l’ADSL, Wimax, …
En règle générale ces systèmes sont essentiellement basés sur l’approche OFDM.
L’exception, dans la liste précédente, concerne l’UMTS qui, dans sa première version
(Release 99 et Release 5) utilise un accès CDMA (qui est malgré tout une forme d’onde
parallèle) mais qui est appelé à évoluer (Release 6) vers l’OFDM, via éventuellement
l’approche Multicarrier CDMA (MC-CDMA).
Plusieurs raisons peuvent expliquer cette convergence de choix vers l’OFDM. La première
raison est la grande simplicité matérielle de l’émetteur/récepteur réalisé grâce à l’emploi de la
Transformée de Fourier Rapide (TFR). Une deuxième raison est l’insertion du préfixe
cyclique qui, associé à la Transformée de Fourier, permet de combattre très simplement l’effet
des multitrajets du canal de propagation par une simple égalisation fréquentielle. Enfin dans le
cas des systèmes de transmission avec voie de retour (ADSL) l’emploi de l’OFDM permet de
choisir de manière efficace les débits qui seront transmis sur chaque porteuse en fonction de
leurs qualités de transmission (waterfilling).
L’inconvénient majeur de l’OFDM, comme de toutes les formes d’onde parallèle, est lié au
fait que le signal transmis a une densité de probabilité qui tend vers la loi gaussienne. Ceci a
pour effet de rendre probables des niveaux d’amplitude du signal émis extrêmements forts.
Dès lors l’émetteur doit être capable de générer un signal d’amplitude crête très importante
par rapport à l’amplitude moyenne du signal émis. Par extension on parle du rapport entre la
puissance crête et la puissance moyenne du signal transmis (" PAPR : peak to average power
UWB
11
ratio "). Toute saturation de ces niveaux crête, que ce soit au moment de l’émission ou lors de
la traversée du canal de propagation, ou enfin lors de la réception a un effet important sur les
performances de la forme d’onde. De manière schématique on peut dire qu’une saturation du
signal se comporte comme une addition sur ce dernier d’un signal impulsionnel de signe
opposé à la valeur crête du signal d’origine. Le récepteur étant basé sur l’emploi d’une
Transformée de Fourier, cette impulsion négative va se projeter, après FFT, sur tous les
symboles transmis, ce qui aura un impact fort sur le taux d’erreur de la liaison. Pour éviter de
saturer le signal, la seule solution consiste finalement à l’émettre avec une puissance moyenne
relativement faible afin de pouvoir éviter de saturer les pics d’amplitude. Le rapport signal sur
brut s'en trouve alors globalement dégradé.
Les transmissions "série" évitent ces problèmes d'amplitude mais demandent la mise en œuvre
de mécanismes très complexes pour lutter contre les multitrajets du canal de propagation. Une
solution pour bénéficier des avantages de la transmission série sans être gêné par les
multitrajets du canal de propagation consiste alors simplement à utiliser des émissions
extrêmement brèves, donc de type impulsionnelles, et à laisser un temps de garde important
entre deux émissions. Ainsi, au niveau du récepteur, deux phénomènes avantageux se
conjuguent, d'une part les trajets secondaires ne chevauchent pas le trajet principal et, d'autre
part, ces trajets secondaires s'achèvent avant la prochaine émission. Pour une transmission
d'impulsions avec un intervalle de garde de durée T f entre les impulsions,la durée T f doit
donc être supérieure à l'étalement maximal de la réponse impulsionnelle du canal de
propagation. Ce temps dépend de l'environnement de transmission mais il est souvent
considéré, pour des environnements intérieurs, comme compris entre 30 et 60 ns. L'impulsion
elle-même a une durée comprise entre 100 et 300 ps.
UWB
12
III.1 MBOA
L'approche MBOA (Multiband OFDM Alliance) utilise une forme d'onde OFDM "classique"
où le spectre total ULB disponible est divisé en plusieurs sous-bandes de 528 MHz (14 sous
bandes au maximum, regroupées par 3 ou 2 en 5 canaux) (figure 4). Chaque sous bande est
elle-même décomposée en 128 sous porteuses de 4 MHz de large.
canal 1
canal 2
canal 3
canal 4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3432
3960
4488
5016
5544
6072
6600
7128
7656
canal 5
A
B
C
D
8184
8712
9240
9768
E
10296
Figure 4 : Organisation des canaux de la solution MBOA.
Les caractéristiques principales de l'approche OFDM dans une sous bande de 528 MHz sont
résumées dans le tableau ci-dessous :
Paramètre
Valeur
Taille de la FFT/IFFT
128
Fréquence d'échantillonnage
528 MHz
Bande de transmission
507.37 MHz
Nombre de porteuses pour les données
100
Nombre de porteuses pilotes
12
Nombre de porteuses de garde
10
Nombre total de porteuses utilisées
122
Espacement entre sous porteuses
4.125 MHz (=528 MHz/128)
Durée des 128 échantillons (TFFT)
242.42 ns
Durée du préfixe cyclique (TPC)
60.61 ns (32 échantillons)
Durée de l'intervalle de garde (TGI)
9.47 ns
Durée du symbole OFDM (TSYM)
312.5 ns ((TFFT+TPC+TGI)
Table 1 – paramètres principaux de la solution MBOA
Comme il a déjà été mentionné plus haut cette forme d'onde souffre d'un facteur de crête
important qui impose un recul d'environ 12 dB (pour un seuillage à 4 σ et pour un signal de
puissance moyenne σ²). D'un point de vue matériel, il est nécessaire de générer
numériquement un signal de 500 MHz de large, ce qui impose un convertisseur NumériqueAnalogique (CNA ou DAC en anglais) fonctionnant au moins à 1 GHz. De même en
réception, il faudra au moins disposer d'un convertisseur Analogique–Numérique (CAN ou
UWB
13
f (MHz)
ADC) fonctionnant à la même fréquence et disposant d'un minimum de bits pour ne pas
"noyer" le signal reçu (de type QAM) dans un trop fort bruit de quantification. Cependant si
l'on se "contente" de modulations de type QAM4, 4 à 6 bits de dynamique peuvent être
suffisants.
III.2 FORME D'ONDE IMPULSIONNELLE
III.2.1
GENERALITES
L’ULB impulsionnel est basée sur la transmission et la réception d’impulsions ultra brèves
(quelques centaines de picosecondes). Ces impulsions brèves sont répétées avec une période
de quelques dizaines de nanosecondes; ainsi, elles peuvent être modulées soit en position, en
amplitude, ou en phase. En plus de cette modulation, les impulsions peuvent être combinées à
des codes temporels TH (Time Hopping Codes) afin d’éviter les interférences avec d’autres
liaisons concomitantes.
Avec l’utilisation de ce type de forme d’onde, l’ULB impulsionnel présente notamment les
avantages suivants :
•
La finesse de l’impulsion permet d’obtenir une très grande précision dans la mesure
des distances, donc ce type de technique est très pratique pour la localisation ;
•
Le très large spectre avec une densité de puissance spectrale très faible confère à
l’ULB une faible probabilité de détection et d’interception ;
•
Le spectre étendu du signal large bande confère à ce dernier une grande capacité de
pénétration de différents objets grâce à la partie basse de son spectre. Cependant, en
augmentant la fréquence centrale du spectre de ce signal, sa capacité de pénétration
s’affaiblit.
Par contre la finesse d’impulsions nécessite des horloges très précises, donc coûteuses. De
plus, pour éviter les perturbations sur les sous-bandes destinées à d’autres usages, il est
nécessaire de compléter le filtrage, ce qui complique à la fois la chaîne d’émission et la chaîne
de réception.
Plusieurs types d’impulsions ultra brève sont utilisés dans les systèmes de transmission ULB
impulsionnel, dont les plus répandus sont présentés sur la figure 5(a) avec leur densité
spectrale de puissance sur la figure 5(b). Ces impulsions sont modélisables sous forme de
dérivées de différents ordres d'une impulsion gaussienne.
UWB
14
(a)
(b)
Figure 5 : Les impulsions dérivées de la gaussienne
(a) en temporel ; (b) en fréquentiel
La figure 5(a) représente les impulsions gaussiennes dans le domaine temporelle : (i) : la
gaussienne, (ii) : le monocycle gaussien, appelé aussi dérivée première de la gaussienne, (iii) :
la dérivée seconde gaussienne. Et la figure 5(b) représente leurs densités spectrales
respectives. Ces impulsions se caractérisent par des spectres très larges délimités de quelques
MHz à quelques dizaines de GHz. Pour une même largeur temporelle, nous pouvons constater
que la fréquence centrale du spectre augmente avec l’ordre de dérivation de l’impulsion. Ces
impulsions, notamment le monocycle gaussien, sont le type d’impulsions les plus utilisées en
ultra large bande impulsionnel.
Dans le domaine temporel, le monocycle gaussien est mathématiquement similaire à la
dérivée première de l’impulsion gaussienne, il peut s’écrire sous la forme suivante :
t
t −  τ 
v( t ) = e
2
τ
Avec τ la durée du monocycle et t représente la variable temps.
(2.)
Dans le domaine fréquentiel, le spectre du monocycle a la forme suivante :
V ( f ) = − jf τ 2 exp ( − f 2τ 2 )
(3.)
La fréquence centrale est proportionnelle à l’inverse de la durée de l’impulsion. On constate
que le spectre de cette ultra brève impulsion (200 ps) s’étend sur une très large bande dont la
fréquence centrale est de l’ordre de 6.5 GHz. La bande à -10 dB est approximativement égale
à 11 GHz.
La modulation utilise en général plusieurs impulsions pour coder un bit. La modulation des
données peut se faire (solution PPM: pulse position modulation) par la variation de
UWB
15
l’intervalle du temps d’une impulsion à l’autre. Cependant lors de la transmission de telles
séquences, il faut s’assurer que la qualité spectrale reste intacte.
La figure 6 représente une illustration de la séquence des monocycles gaussiens ou ce qu’on
dBm_Train_Impulsion
dBm_Impulsion
appelle aussi le train d’impulsions dans les domaines temporel et fréquentiel :
-50
-100
(a)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
(b)
freq, GHz
Figure 6 : Séquence d’impulsions monocycles régulières
Dans le domaine fréquentiel, ce train d’impulsions produit un spectre de raies, et le train peut
donc interférer avec les systèmes radio conventionnels de courte portée. Ce spectre de raies
dBm_Train_Impulsion
dBm_Impulsion
peut être éliminé en faisant varier l’intervalle du temps d’une impulsion à une autre.
-50
-100
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
freq, GHz
(a)
(b)
Figure 7 : Séquence d’impulsions monocycles irrégulières
Une autre solution pour éliminer le spectre de raies consiste à moduler les impulsions en
amplitude par des valeurs aléatoires à valeur dans ±1 .
UWB
16
III.2.2
MODULATION D’IMPULSION EN POSITION (PULSE POSITION MODULATION PPM)
Dans la modulation d’impulsion en position, l’information est codée suivant la position de
l’impulsion dans le temps. Ainsi, la figure 8 illustre bien le principe de cette modulation.
1
2
3
1
2
c(j k )Tc
Figure 8 : Principe de la modulation PPM.
Pour le bit ‘1’, un décalage δ est appliqué par rapport à la position de référence qui
correspond au bit ‘0’. Le décalage δ est appelé indice de modulation, il dépend de la durée de
l’impulsion.. Ainsi, pour une impulsion de 300 ps de large, l’indice de modulation optimal δ
vaut 90 ps.
III.2.3
MODULATION D’IMPULSION PAR INVERSION DE POLARITE (BPM)
Une autre approche de modulation consiste à coder l’information par la polarité (positive ou
négative) de l’impulsion. On peut parler alors de BPM (Modulation Bi-Phase) d’impulsions
[1-21]. Cette modulation est aussi bien connue sous le nom du BPSK (Bi-Phase Shift Keying
Modulation) :
Figure 9 : Modulation d’impulsion par inversion de polarité BPM
Pour un bit ‘0’, le monocycle utilisé commence d’abord par le pic négatif. Alors que pour un
bit ‘1’, le monocycle utilisé commence d’abord par le pic positif.
UWB
17
III.2.4
MODULATION D’IMPULSION EN AMPLITUDE PAM
Un autre type de modulation qui est utilisé dans les systèmes ultra large bande est la
modulation d’impulsion en amplitude. Ici, l’information est modulée suivant plusieurs
niveaux possibles d'amplitude.
Figure 10 : exemple de modulation d’impulsion en amplitude PAM
III.2.5
MODULATION TOUT OU RIEN (ON OFF KEYING OOK)
Cette méthode est basée sur un principe simple qui consiste à envoyer une impulsion (ou une
série d’impulsions) pour le bit ‘1’ et à envoyer un zéro (ou une série de zéros) pour un bit ‘0’.
Un exemple de cette modulation est donné dans la figure 1-30 :
Figure 11 : Modulation tout ou rien OOK
Parmi toutes ces techniques de modulations, ce sont surtout la modulation en position PPM, la
modulation par inversion de polarité BPM et la modulation par tout ou rien qui sont les plus
populaires auprès des grandes entreprises mondiales spécialisées en ultra large bande. La
modulation PPM est utilisée surtout par la compagnie Time Domain qui est l’un des leaders
mondiaux en ultra large bande, et la modulation BPM est utilisée entre autre par la compagnie
américaine Xtrem Spectrum. La modulation OOK sous sa forme multi-bande (MB-OOK) est
par contre proposée par la société Mitsubishi.
UWB
18
III.2.6
Le
ELEMENTS D'ARCHITECTURE DE RECEPTION
signal
de
base
en
ULB
impulsionnel
étant
une
impulsion,
l’architecture
d’émission/réception de l’ULB est a priori plus simple que celle utilisée en MBOA.
Les figures 12 et 13 représentent respectivement des architectures d’émission/réception de
l’ULB et d’un système type de communications "classique" :
Données
à l’entrée
Données
à la sortie
Filtre
Filtre
Amplificateur
faible bruit
Modulation
de données
Corrélateur
Signal de
référence
Génération
d’impulsions UWB
Figure 12 : L’architecture Emetteur/Récepteur de l’ULB
Données
à l’entrée
Mélangeur
ou
modulateur
Amplificateur
Filtre de puissance
Amplificateur
à faible bruit
Oscillateur
Filtre
Filtre
Modulation
de données
Mélangeur ou
démodulateur
Oscillateur
Données
à la sortie
Démodulation
de données
Figure 13 : L’architecture Emetteur/Récepteur typique d’un système de communication
classique
UWB
19
III.3 MBOOK
Les chercheurs de Mitsubishi ont développé une architecture d’émission/réception ULB
originale. Son originalité réside dans un mélange des approches purement impulsionnelles
avec l'approche multibande.
Le principe de cette nouvelle architecture consiste à diviser le spectre ultra large de
l’impulsion [3,1-10,6 GHz] en plusieurs sous-bandes étroites de 250 et 500 MHz. Chacune
des sous-bandes est utilisée pour porter un bit en utilisant une modulation tout ou rien. La
démodulation est basée sur le principe de détection non cohérente d’énergie. La figure 14
représente le schéma fonctionnel de cette architecture d’émission/réception ULB.
Figure 14 : Schéma fonctionnel de l’architecture émission/réception ULB proposée par
Mitsubishi
L’émetteur est constitué d’un générateur d’impulsions d’une fréquence de répétition (PRF,
Pulse Repetition Frequency) inférieure à 30 MHz, d’un diviseur de puissance à N voies, de N
filtres passe-bande de 250 à 500 MHz équi-répartis sur le spectre [3,1-10,GHz] autorisé par la
FCC, et de N interrupteurs positionnés en sortie des N filtres. Ces N voies sont connectées à
un combineur de puissance, puis à une antenne ultra large bande. Le récepteur est composé
d’un diviseur de puissance à N voies constituées par les N filtres passe-bande. Chacune des
UWB
20
voies est connectée à un récepteur non cohérent d’énergie. Ce dernier est basé sur une mise en
quadrature suivie d’une intégration temporelle du signal reçu sur une période Ti.
Chacune des N voies est utilisée pour porter un bit. La valeur de N varie entre 15 et 26, ce qui
permet de transmettre simultanément et via une seule impulsion un symbole composé de 15 à
26 bits. L’information est modulée par tout ou rien, c’est à dire pour coder un bit ‘1’,
l’interrupteur est fermé et donc à la réception il y a présence d’un signal et détection
d’énergie. En revanche pour coder le bit ‘0’ l’interrupteur est ouvert, et à la réception il n’y a
pas d’énergie à détecter. Cette méthode est prévue pour permettre d’atteindre des débits
élevés de l’ordre de 600 Mbit/s pour une portée inférieure à trois mètres, et 150 Mbit/s pour
une distance de 10 mètres.
UWB
21
IV LE CANAL DE PROPAGATION
Le modèle de canal généralement retenu dans le domaine des communications ULB en
intérieur est celui de Saleh et Valenzuela [10]. Ce modèle a été choisi comme un des modèles
de référence pour le sous-groupe de normalisation IEEE 802.15.3a. Il est de type spéculaire et
l’on suppose que les rayons arrivent par groupes ou paquets (clusters). Si Tn désigne le temps
d’arrivée du nième groupe et τ k ,n l’instant d’arrivé du kième rayon du nième groupe, la fonction de
transfert du canal s’écrit :
∞
∞
h(t ) = ∑∑ β k ,nδ (t − Tn − τ k ,n )
(4.)
n =0 k =0
où β k ,n est l’amplitude du rayon de retard τ k ,n .
L’écart entre les instants Tn est modélisé par une loi de Poisson de paramètre Λ et l’écart
entre les instants d’arrivé τ k ,n à l’intérieur d’un même groupe est modélisé par une loi de
Poisson de paramètre λ . On a ainsi les lois probabilités suivantes :
p( Tn Tn − 1 ) = Λe − Λ( Tn − Tn−1 )
p( τ k ,n τ k − 1,n ) = λe
− λ( τ k ,n − τ k −1,n )
(5.)
.
(6.)
Les amplitudes suivent une loi de probabilité gaussienne dont la variance dépend de la valeur
des retards Tn et τ k ,n :
[ ]
2
E β k,n
= σ 2 exp( −Tn / Γ ) ⋅ exp( −τ k ,n / γ )
(7.)
où Γ et γ représente des constantes de temps associées à la décroissance de puissance des
rayons et σ 2 représente la puissance moyenne de l’amplitude β 0, 0 du premier trajet du
premier cluster. On donne ci dessous une représentation du modèle de Saleh-Valenzuela :
Trajet
direct
e-T/Γ
T0
T1
e-τ/γ
T2
Figure 15 : Représentation du modèle de canal de Saleh-Valenzuela.
UWB
22
paramètre\canal
CM1
CM2
CM3
CM4
Λ en ns-1
0.02333
0.4
0.0667
0.0667
λ en ns-1
2.5
0.5
2.1
2.1
Γ en ns
7.1
5.5
14.0
24.0
γ en ns
4.3
6.7
7.9
12
Table 2 – paramètres des canaux de la norme IEEE802.15.3a
Effets de filtrage des antennes
Les impulsions ULB se caractérisant par une très large bande, les antennes d’émission et de
réception se comportent comme des filtres, ce qui produit une déformation des spectres des
signaux ULB à la sortie de l’antenne d’émission et de l’antenne de réception.
Les schémas de la figure 16 illustrent ce phénomène :
(a)
(b)
(d)
(e)
(c)
(f)
Figure 16 : effets typiques des antennes
Les schémas des figures 16 représentent l’impulsion émise à l’antenne d’émission et sa
densité spectrale. Les figures 16(b) et 16(e) représentent l’onde qui se propage dans
l’atmosphère et sa densité spectrale. Les figures 16(c) et 16(f) représentent l’impulsion reçue
à l’antenne de réception et sa densité spectrale.
UWB
23
V LA CAPACITE
(paragraphe en cours de rédaction)
La densité spectrale du signal émis peut s'écrire :

c
S RX ( f ) = STX ( f )Gt Gr 
 4 πd × f



2
L'aire équivalente s'écrit en fonction du gain par :
λ2
Gr
4π
En introduisant le facteur de bruit N F de la chaîne de réception, on a :
N 0 = kT × N F
Ar =
Le rapport signal sur bruit en réception est donc donné par :


S ( f ) STX ( f )
c

SNRawgn ( f ) = RX
=
Gt Gr 
N0
N0
 4 πd × f 
2
On peut alors introduire la quantité a définie par :
S (f)
 c 
a 2 = TX
Gt Gr 

N0
 4 πd 
2
Ainsi le SNR devient :
SNRawgn ( f ) =
a2
f2
On rappelle la forme générale de la réponse impulsionnelle du canal de propagation :
h( t , τ ) = ∑ hk ( t )δ( t , τ − τ k ( t ))
k
Dont la Transformée de Fourier est égale à :
H ( f ) = ∑ hk e − j 2 πfτ k
k
En reportant dans l'expression du SNR, il vient :
2
SNRUWB ( f ) =
H( f ) a2
f2
La capacité instantanée pour une réalisation du canal est alors donnée par :
2

H ( f ) a 2 
f0 + B

C = ∫f
log 2 1 +

df
2
0
f


UWB
24
La capacité moyenne sera elle donnée par :
2


H( f ) a2
f0 + B


C = E hk ,τ k ∫ f
log 2 1 +

 0
f2


Ou encore :
C =
f +B
∫ f 00
2

H( f ) a2

∫ p( H ( f )) log 2  1 +
f2
H ( f )∈C

UWB
 
df 
 
 

dH ( f )df


25
VI REFERENCES
[1]
J. R. Pierce, A. L. Hopper, "Nonsynchronous time division with holding and with
random sampling", Proc. of the IRE, vol. 40, pp. 1079-1088, Sept. 1952.
[2]
G. F. Ross, "Transmission and reception system for generating and receiving baseband duration pulse signals for short base-band pulse communication system", U.S.
Patent 3,728,025 dated July 31, 1973.
[3]
M. K. Simon; B. K. Levitt; R. A. Scholtz R.A.; J. K. Omura, "Spread spectrum
communications handbook", Mac Graw Hill, 1994.
[4]
M. Z. Win, F. Ramirez-Mireles, R. A. Scholtz, M. A. Barnes, "Ultra-Wide Bandwidth
(UWB) signal propagation for outdoor wireless communications", Proc. of the 47th
Vehicular Technology. Conference VTC 1997., Phoenix, AZ, USA, pp. 251-255, May
1997.
[5]
P. II. Withington and L. Fullerton, "An impulse radio communications system", in
Proc. of the International. Conference. on Ultra-Wide Band, Short Pulse
Electromagnetics, Brooklyn NY, USA, pp113-120, Oct. 1992.
[6]
R. A. Scholtz, "Multiple Access with Time-Hopping Impulse Radio", Proc. of the
IEEE Milcom Conference, Boston, MA, USA, pp 447-450, Oct. 1993.
[7]
M. Z.Win, R.A. Scholtz, and L. W. Fullerton,"Time-Hopping SSMA Techniques for
Impulse Radio with an Analog Modulated Data Subcarrier", proc. IEEE Vehicular
Technology Conference VTC1997, May 1997.
[8]
ET Docket No. 98-153, 65 Fed. Reg.37332, "Notice of Proposed Rule Making", June
14, 2000. See also, Notice of Inquiry in ET Docket No. 98-153, 63 Fed. Reg. 50184,
September 21, 1998.
[9]
ET Docket No. 98-153, "Revision of Part 15 of the Comission’s Rules Regarding
Ultra-Wideband Transmission Systems, Federal Communications Commission",
Adopted February 14,2002, Released April 22, 2002.
[10]
A. Saleh, R. Valenzuella, A statistical model for indoor multipath propagation, IEEE
Jsac, vol 5, n°2, pp 128-137, 1987.
[11]
B. Uguen, E. Plouhinec, Y. Lostanlen, G. Chassay, "A Deterministic Ultra Wideband
Channel Modeling", IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies
UWBST 2002, Baltimore, USA, May 2002.
UWB
26

Ultra Wide Band

Transcription

Documents pareils

UNIVERSITÉ DE GENÈVE UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL

Tribunes de l`ULB

Triax - TDC 002 Coupleur passif 2 entrées ULB (5

CURRICULUM VITAE I. Informations générales

COMMUNIQUÉ DE PRESSE Assassinat de Chokri Belaïd, figure

Gestion de Carrière

Gaia, au coeur d`une mission spatiale

programme