Résumé

Projet 44. Développement d’une chaîne
logicielle de traitement pour sondage de canal
passif
Année 2010
Encadrants : J.P JOLIVET, Y.M LE ROUX et J MENARD (département ELEC), P LASSUDRIE DUCHESNE
(département MO), F MAUSSANG et G MERCIER (département ITI), B GOURVENNEC (département LUSSI).
Partenaire : J.Y CHRISTIEN, Société KENTA ELECTRONIC, à Quimper.
Mots clés : traitement du signal, caractérisation de canal, sondage passif, ionosphère, radio logicielle,
balises radio-amateur.
Résumé : Notre projet s’est déroulé en deux phases. La première visait à étudier de manière générale les
techniques de sondage passif des canaux de propagation. La deuxième, fondée sur le travail réalisé
précédemment, consistait à sonder le canal ionosphérique à partir de signaux d’opportunité, afin d’extraire des
informations pertinentes sur les caractéristiques des canaux de communications sans fil dans la bande de
fréquence HF.
1. Présentation du contexte du projet.
Le développement de matériels de radiocommunications de plus en plus sophistiqués implique une
meilleure connaissance de l’état des canaux de propagation. La mise en œuvre d’une méthode de sondage de
canal permet alors d’obtenir des informations sur ces canaux, notamment leurs impacts sur les signaux qui y
transitent. Classiquement, ce sondage consiste à émettre un signal connu particulier et à étudier les
perturbations qu’il subit à partir du signal reçu. Une technique plus récente, dit sondage passif, consiste à
utiliser des signaux d’opportunité, déjà présents dans les canaux de propagations, en guise de signaux tests.
Ainsi, l’émission de signaux supplémentaires nécessaires à l’étude n’est pas obligatoire, ce qui a comme
avantages de ne pas polluer le spectre électromagnétique et d’économiser l’énergie qu’il aurait fallu
consommer pour l’émission.
2. Méthodologie générale développée pour aboutir.
Le début du projet à été consacré à l’élaboration du plan de management qui donne les éléments
nécessaires à sa gestion. En parallèle à cette activité, une étude bibliographique a été menée afin d’acquérir
les connaissances nécessaires sur le sondage passif et les méthodes qui sont mises en œuvre actuellement.
Cet état de l’art nous a permis de retenir une solution bien précise, qui consiste à sonder le canal
ionosphérique grâce à des signaux de balises radio-amateur. Les éléments d’une chaîne radio logicielle ont
donc été implémentés afin de montrer la faisabilité du sondage à partir de ces signaux d’opportunité, obtenus
après acquisition. Le travail d’analyse a ensuite consisté à mettre en relation les résultats obtenus par
traitement avec les comportements caractéristiques de l’ionosphère.
3. Développement des différentes tâches et principaux résultats.
31. Description technique des tâches du projet
Etude bibliographique
La recherche bibliographique menée a été générale, de telle manière à avoir un large panorama sur les
différentes méthodes de sondage passif. Elle nous a d’abord aidé à mieux comprendre les phénomènes
physiques qui perturbaient les communications, tels que les multi trajets, l’effet doppler, l’absorption, les
atténuations en puissance [1], l’impact des conditions atmosphériques et solaires, et cela dans le but de cerner
leurs effets sur les signaux. Elle nous a aussi permis d’évaluer différents types de signaux d’opportunité,
comme les signaux GPS [2], TNT, radio Numérique (DRM) [3] et surtout les signaux de la bande HF. Enfin,
1
certains algorithmes utilisés pour caractériser le comportement des signaux ont été étudiés. C’est le cas de
CAPON [4] qui permet d’estimer les directions d’arrivée des multi-trajets.
Méthode retenue
Pour l’étape suivante, une méthode particulière de sondage a été retenue pour la réalisation de la
chaîne logicielle sous MATLAB. Elle consiste à sonder le canal ionosphérique [5] à partir d’un réseau de
balises HF (NCDXF/IARU), utilisé à l’origine par les utilisateurs de radioamateur pour savoir à quelle fréquence
il est possible d’émettre [6] [7]. Ce réseau est composé de 18 balises réparties sur tous les continents. Sur 5
fréquences allant de 14 à 28 MHz, les balises émettent à tour de rôle des séquences de 10 secondes
contenant un en-tête (l’indicatif de la balise codé en morse), suivi de 4 traits de 1 seconde, à 100 w, 10 w, 1w
et 100mw. Suivant l’état d’ionisation des couches ionosphériques (qui dépend de l’indice solaire) et de la
distance par rapport aux balises, les probabilités de recevoir les différents signaux sont différentes. Cette
méthode de sondage a été retenue car elle avait pour nous un réel intérêt scientifique. Ce choix s’est
également fait dans le sens des attentes de J.Y CHRISTIEN dont l’entreprise est spécialisée dans les
équipements HF et VHF.
Réalisation logicielle
Divers enregistrements des signaux émis par les balises ont été effectués au département
Electronique. Les signaux obtenus sont très bruités. En effet, la bande de fréquence utilisée pour le sondage
est également utilisée par les radio-amateurs. Les faibles rapports signal à bruit ont alors rendu l’analyse
relativement complexe. Divers méthodes ont donc été appliquées afin d’essayer de retrouver le signal utile des
balises. Le but final est d’observer certains phénomènes caractéristiques de la propagation à partir des signaux
afin de mieux connaitre l’environnement de transmission. Le calcul du spectre du signal permet notamment
d’observer l’effet doppler dû à la modification de la hauteur des couches ionosphériques. En effet, un
déplacement en fréquence de la porteuse de nos signaux de balises permet de caractériser ce phénomène. De
plus, la densité spectrale de puissance des signaux perme d’observer les atténuations en puissance.
Dans un deuxième temps, nous avons développé un logiciel basé sur l’algorithme BSI (Blind System
Identification) [8] qui est un moyen de sondage statistique du canal de propagation. Il fournit, suite à l’écoute du
signal reçu, un estimé des échantillons de la fonction de transfert qui modélise le canal. Le fonctionnement de
cet algorithme est basé sur des statistiques d’ordre 2 (matrice d’auto-covariance du signal reçu).Ce logiciel
permet de réaliser la simulation numérique des phénomènes de propagation dans le canal. La fonction de
transfert retrouvé permet alors la mise en œuvre d’algorithme tel que CAPON.
4. Conclusions et perspectives.
Ce projet à été réalisé par un groupe de six personnes, avec des cultures très différentes. Le sujet,
riche en technique, nous a à tous apporté de bonnes connaissances dans le domaine des communications
sans fil. Il nous a permis de percevoir la grande difficulté de traiter des signaux réels issus de la nature. A partir
des résultats acquis ce semestre, nous aurions la possibilité d’approfondir notre travail en extrayant plus
d’informations pertinentes, notamment à partir des résultats obtenus grâce à l’algorithme BSI et de l’étude des
spectres des signaux. Ces informations nous permettraient dès lors d’éclaircir le lien entre les phénomènes
physiques de l’ionosphère et les résultats. De plus, la réalisation d’un grand nombre d’enregistrements choisit
judicieusement permettrait de valider notre méthode d’analyse. Enfin, la piste du sondage passif à partir de
signaux GPS semblait être également très intéressante. Il pourrait être intéressant de la creuser.
5. Bibliographie non exhaustive
-[1] Cours de Y.M Le Roux,‘’Canaux de Propagation, Signaux, et Systèmes de transmission’’.
-[2] M. Cherniakov, ‘’Utilization of global Nagivation Satellite Systems as non-cooperative transmitters in bistatic
st
radar’’. 1 EMRS DTC Technical Conference- Edinburgh 2004
-[3] Phillipe MALIET et Hervé SIZUN. ‘’Etude de l’ionosphère par utilisation opportuniste d’une modulation
DRM.’’ Journées scientifiques Propagations et Plasmas.
-[4] Pascal LARZABAL, Pascale COSTA, Joel GROUFFAUD, Anne FERREOL et Henri CLERGEOT.
‘’Identification passive de canaux à trajets multiples’’. Traitement du signal 1999 –Vo. 16 No 5.
-[5] Site internet : http://www.ncdxf.org/beacons.html
-[6] Jean-Jacques DELCOURT ‘’ région D : sondage passif et propagation des signaux LF et VLF ‘’. Editeur :
Paris Hermès Science Lavoisier. ISBN ou ISSN : 2-7462-0656-0.
-[7] Olivier FLORENS, ‘’Augmentation du débit des liaisons radio HF.’’ Thèse.
-[8]Karim ABED-MERAIM, Wanzhi QIU, Yingbo HUA: ‘’Blind System Identification’’. Proceedings of the IEEE
Vol. 85, No 8. August 1997.
2