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1 Cours de RX5 IUT de Blagnac RT2 Cours de RX5 (M3101): Couche "Physique" pour:

1 Cours de RX5 IUT de Blagnac RT2 Cours de RX5 (M3101): Couche "Physique" pour: Le mobile GSM Le réseau GSM Les systèmes SISO-MIMO Les Communications sans fil de proximité: --- DECT --- ZIBEE --- BLUETOOTH --- WiFi --- WIMAX IUT de Blagnac A.Roux IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 Le mobile GSM Doc étudiants Source :J.P. Muller I. Schéma fonctionnel Il se compose de 4 parties : 1. Codage-décodage de la voix (traitement en bande de base) 2. Circuits de modulation et d’émission 3. Circuits de réception et de démodulation 4. Circuits de contrôles (E/R, porteuse, puissance d’alimentation,…) Soit en suivant le signal depuis l’appelant jusqu’à l’oreille appelée : II. Traitement numérique du signal à l’émission 1. On échantillonne le signal à 8 kHz et on le code sur 13 bits. Soit un débit obtenu : 104 kb/s. 2. On introduit des codes correcteurs d’erreurs, (réparations des erreurs de transmission suites aux aléas de propagation, aux parasites, …), ainsi que des algorithmes de cryptage pour la protection de la confidentialité des communications. ➔ Le débit est alors doublé ~ 208 kb/s 1 Cours de RX5 IUT de Blagnac RT2 3. Le mobile doit partager son canal avec 7 autres mobiles. Il doit émettre 8 fois plus vite son information pour une même unité de temps. ➔ Débit 8x208=1,66 Mb/s Or une porteuse modulée par un signal numérique de débit D, occupe une largeur de bande d’environ D. Dans notre cas, le signal occuperait : 1.7 MHz or la norme ne lui permet que … 200 kHz !!! Il faut comprimer le signal. Ceci est le rôle du VOCODEUR ou CODEC qui permettra de comprimer, réduire, le débit de 104 kb/s à 13 kb/S !. III. Le VOCODEUR : Principe de base. Il divise par 8 le débit tout en gardant une qualité satisfaisante. Encombrement fréquentiel : 270.8 kHz. Le principe de fonctionnement du vocodeur est copié sur notre appareil phonatoire. Lorsque nous parlons, nous modifions, modulons un signal primaire venant des cordes vocales en modifiant notre conduit vocal (la bouche, la gorge) . IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 Appareil phonatoire humain : Cordes vocales Filtre acoustique Signal vocal IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 Les mots sont donc réalisés par modification des paramètres de notre conduit vocal. Le vocodeur utilise ce principe. Il découpe la voix numérisée en tranche de 20 ms, soit 160 échantillons de 13 bits, ou encore 13x160=2080 bits Pour chacune de ces tranches le vocodeur : ▪Modélise le conduit vocal par 2 filtres numériques en cascade : Yn=a1yn-1+a2yn-2+a3yn-3+a4yn-4+…+a8yn-8 RPE : Regular Pulse Exitation. ▪ Et détermine l’amplitude et la fréquence du signal d’excitation RPE qu’il faut mettre à l’entrée de ces deux filtres pour reconstituer le signal de la parole. Le vocodeur ne transmettra plus le signal échantillonné, mais les paramètres des : ▪ ➔ RPE, LTP et LPC A la réception le signal d’excitation des filtres LPC et LTP, sera reconstitué grâce aux paramètres reçus. Les filtres seront configurés eux aussi par les paramètres les concernant. RPE LPC LTP 208 bits LPC : Linear Prédictive Coder Long Term Prediction Yn=xn-byn-N IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 IV. Fonctionnement du VOCODEUR RPE : Le signal d’excitation est décrit par les coefficients x et M. Il est actualisé 4 fois dans une tranche de 20 ms. Soit : 188 bits par tranche de 20 ms. LTP : Est défini par les coefficients b et N actualisés 4 fois par tranche de 20 ms. b codé sur 2 bits N codé sur 7 bits Soit 36 bits par tranche de 20 ms LPC : Ces coefficients sont valables pendant toute la tranche de 20 ms : a1 et a2 : 6 bits chacun a3 et a4 : 5 bits chacun a5 et a6 : 4 bits chacun a7 et a8 : 3 bits chacun soit 36 bits par tranche de 20 ms pour le LPC. Soit au total : 188 RPE 36 LTP 36 LPC Total : 260 bits / 20 ms soit 13 kb/s En résumé on peut dire que le GSM ne transmet pas un signal de qualité mais un signal grossier + les paramètres d’un filtre numérique (LTP + LPC). Il constituera le signal vocal. N.B :C’est dans la manière de réaliser cette analyse et selon les différents algorithmes possibles que diffère la qualité d’écoute. Les derniers algorithmes étant plus performants. V. Sécurisation de la transmission 1. Par codage Le signal ainsi compressé doit être protégé contre les erreurs de transmission. Les 260 bits de chaque tranche sont regroupés en 3 classes. ---- 50 bits « très importants » ---- 132 bits « importants » IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 ---- 78 bits « peu importants » Les 50 bits de la première catégorie sont très bien protégés en utilisant un codage particulier, de la redondance et des bits de vérification pouvant détecter les erreurs et demander une retransmission ! Les autres bits seront moins bien ou pas du tout protégés. Cette protection augmente le débit. Il passe de 13 kb/s à 22.8 kb/s. 2. Par entrelacement : Répartition d’une tranche de parole dans les « time-slot » Les données sont réparties en 8 time-slots, mélangées aux données de la tranche précédente et de la tranche suivante. Ainsi après protection, ce cryptage et cet entrelacement, les données sont prêtes à être émises. VI. Filtrage Gaussien. Comme l’établit la transformée de Fourier, un signal binaire génère des fréquences très élevées. IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 La modulation d’un signal analogique par un signal binaire provoquera un encombrement spectral important. Afin de limiter cet encombrement, on dégrade volontairement l’allure du signal binaire grâce à un filtre passe bas Gaussien. Les angles carrés du signal binaire sont « arrondis » en forme de cloche Gaussienne. Signal binaire Gaussien Signal binaire Transmittance de filtre Gaussien : En pratique, dans le GSM, ce filtrage n’est pas obtenu par filtrage mais par concaténation de forme Gaussienne. (en mémoire dans une ROM par exemple). VII. Modulation MSK (Minimum Shift Keying) t f en Hz. t Soit une porteuse ϕ(t) représente la modulation en phase. si on transmet un 1 IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 t 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 S(t)n peut aussi s’écrire : Les signaux TXI(t) et TXQ(t) seront obtenus par calcul (DSP) et après conversion CNA, ils moduleront la porteuse de fréquence fixe . Grâce à ce principe f0 peut être fixée par un quartz => Grande stabilité. (GSM : Quartz à 13 MHz) Remarque : Si on calcule la fréquence instantanée de S(t) : or Soit en fait une modulation de fréquence : --- D’excursion : Δf=±67.7 kHz --- fréquence moyenne du signal modulant : ainsi à l’issue de la transmission d’un bit : si « 1 » si « 0 » Φ(t) IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 --- indice de modulation : m=0.5 d’où l’appellation Minimum Shift Keying. VIII. Le modulateur GMSK On a vu précédemment, que dans le but de limiter la largeur de bande occupée par le signal modulé, il faut éliminer les points anguleux du signal modulant : ➔ On utilise alors un filtre Gaussien. L’intégration, dans la chaine de traitement du signal, d’un filtre numérique de type Gaussien transforme l’appellation MSK en GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) Remarque : Sur la figure suivante on peut remarquer que le modulateur GMSK se trouve physiquement : --- Pour moitié dans le DSP --- Pour l’autre moitié dans le circuit RF qui produit les porteuses DCS et GSM. IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 Pour info : 1 Cours de RX5 IUT de Blagnac RT2 Le réseau GSM Doc Etud I. Structure Afin de limiter la puissance d’émission des mobiles, on découpe le territoire (la zone à couvrir) en petites zones. Chaque cellule est équipée d’une station de base : BTS, munie d’une antenne et installée sur un point haut : Château d’eau, clocher, immeuble …) A partir de la BTS le signal est acheminé par le câble cuivre et/ou la fibre optique vers l’appelé ou vers la BTS de sa cellule s’il est lui aussi sur GSM. Le HANDOVER : Il se produit lorsqu’on change de cellule lors d’une communication : depuis un véhicule par exemple. Procédure : * Le mobile mesure en permanence la qualité (puissance) du signal radio de sa BTS mais également celle des BTS des cellules voisines. * Lorsqu’il en détecte une de meilleure, il informe sa BTS. * Sa BTS décide de passer le relai à sa concurrente et met en œuvre la procédure de Handover. II. Les cellules BTS 3 BTS 2 BTS 1 IUT de Blagnac RT2 1 Cours de RX5 a. Allure des cellules Elles sont hexagonales mais peuvent être différentes selon la configuration du terrain ou la densité démographique. b. Taille des cellules. Selon la fréquence du GSM, le mobile peut se situer à différentes distance de uploads/S4/ cahier-de-cours-rx5-prof.pdf