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Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Par

Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Transmission num´ erique J.-M Friedt FEMTO-ST/d´ epartement temps-fr´ equence jmfriedt@femto-st.fr transparents ` a jmfriedt.free.fr 7 mars 2017 1 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Objectif de cette pr´ esentation • R´ eception de signaux (num´ eriques) transmis sur porteuse radiofr´ equence • Caract´ eristiques d’un signal complexe d´ eﬁnissant les modes de modulation • Mise en œuvre avec la radio d´ eﬁnie par logiciel – r´ eception de signaux analogiques et num´ eriques 2 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Objectif de cette pr´ esentation • R´ eception de signaux (num´ eriques) transmis sur porteuse radiofr´ equence • Caract´ eristiques d’un signal complexe d´ eﬁnissant les modes de modulation • Mise en œuvre avec la radio d´ eﬁnie par logiciel – r´ eception de signaux analogiques et num´ eriques s(t) = A(t) cos (ω(t) · t + ϕ(t)) ⇒AM, FM, PM Outils : • r´ ecepteur de t´ el´ evision num´ erique terrestre RTL2832U + R820T(2) • 25-1750 MHz, <10 $ • GNURadio Exp´ erimentez par vous-mˆ emes (jmfriedt.free.fr/acars_audio_with_filter.mp4) Bibliographie : R.G. Lyons, Understanding Digital Signal Processing (Prentice Hall, 1997) 3 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Objectif de cette pr´ esentation • R´ eception de signaux (num´ eriques) transmis sur porteuse radiofr´ equence • Caract´ eristiques d’un signal complexe d´ eﬁnissant les modes de modulation • Mise en œuvre avec la radio d´ eﬁnie par logiciel – r´ eception de signaux analogiques et num´ eriques 131,725 MHz, AM (bande a´ eronautique – ACARS et ATC Reims) 4 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Plan de la pr´ esentation 30 h ≃8 cours 1 Fondamentaux du traitement de signaux radiofr´ equences, principes de base 2 Composants radiofr´ equences 3 Modulations : pourquoi et comment 4 Partage du spectre radiofr´ equence et analyse multicanaux 5 D´ ecodage du GPS – partage des ressources par codage (CDMA) 6 Liaisons radiofr´ equences (bilan de puissances) 7 Sp´ eciﬁcit´ es du traitement num´ erique de signaux radiofr´ equences. 8 Antennes : caract´ eristiques et conception 1h30-2h de cours, puis mise en pratique sur gnuradio-companion : 1 gnuradio comme outil g´ en´ erique de traitement du signal 2 gnuradio pour la commande de la carte son (0,01-20 kHz) 3 gnuradio pour la r´ eception de signaux radiofr´ equences (FM commerciale) 4 d´ ecodage d’un signal num´ erique (POCSAG) 5 d´ ecodage de plusieurs bandes (analogique ou num´ erique) 6 traitement des signaux GPS Hypoth` ese : manipulation des complexes sous Matlab-GNU/Octave, 5 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Rappels Trigonom´ etrie et complexes • exp(j · ωt) = cos(ωt) + j · sin(ωt) o` u j2 = −1 • relations trigonom´ etriques : cos(a) = 1 2 (exp(j · a) + exp(−j · a)) et sin(a) = 1 2j (exp(j · a) −exp(−j · a)) • sur le plan complexe (phasor), la distance ` a l’origine est la magnitude du complexe et son angle par rapport ` a l’axe des abscisses est la phase : A · exp(j · ϕ). ϕ A Im Re • cos(a) · cos(b) = 1 2 (cos(a + b) + cos(a −b)) 6 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Liaison radiofr´ equence • remplacer le ﬁl par une onde ´ electromagn´ etique • λ = c/f ⇒λ[m] = 300/f [MHz] • VLF pour p´ en´ etrer dans des milieux conducteurs/tr` es longue port´ ee • VHF-UHF : 30-1000 MHz • SHF (2400 MHz) ⇒λ = 12, 5 cm • diverses porteuses pour multiplexer le spectre radiofr´ equence et transmettre diverses informations sur diverses bandes spectrales sous− marins FM continents trans− AM commerciale satellites aviation & ISM 434 MHz GSM GPS ISM 2450 MHz RFID animaux RFID HF RFID UHF f puissance La fr´ equence de porteuse n’a pas d’importance, seule la bande passante importe 7 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Au commencement ... • Le morse : pr´ esence (1) ou absence (0) de porteuse • transposition en fr´ equence du t´ el´ egraphe • peu robuste au bruit • nomm´ e dans la litt´ erature OOK (On-OﬀKeying) • ´ evolution vers ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying)... pour les transmissions num´ eriques Question : comment transposer un signal dans une bande de fr´ equence ad´ equate ` a l’application envisag´ ee ? RF information information RF 8 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Source radiofr´ equence Diverses fa¸ cons de g´ en´ erer un signal p´ eriodique (porteuse) dans la gamme 3-3000 MHz • oscillateur ﬁxe • oscillateur ajustable contrˆ ol´ e en tension (VCO) • Phase Locked Loop (PLL) : multiplication d’une source par N/R, {R, N} ∈N • PLL fractionnaire : N ∈Q (rapport cyclique de deux N) • Direct Digital Synthesizer (composant num´ erique) G fr f G dB res. fr 1 Fr´ equence ﬁxe : ﬁltrage par le r´ esonateur 2 Barkhausen : G > loss & P ϕ ∝2π 3 dϕ/df ∝Q 4 λ = c/f = 2e ⇒f = c/(2e) e = 15 µm @ 100 MHz 9 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Source radiofr´ equence Diverses fa¸ cons de g´ en´ erer un signal p´ eriodique (porteuse) dans la gamme 3-3000 MHz • oscillateur ﬁxe • oscillateur ajustable contrˆ ol´ e en tension (VCO) • Phase Locked Loop (PLL) : multiplication d’une source par N/R, {R, N} ∈N • PLL fractionnaire : N ∈Q (rapport cyclique de deux N) • Direct Digital Synthesizer (composant num´ erique) 1 ciruict LC : fRES = 1 2π √ LC 2 L = 500 nH, C = 1 pF : fRES ≃500 MHz 3 fOSC = f (V ) (varicap) 4 Q m´ ediocre 10 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Source radiofr´ equence Diverses fa¸ cons de g´ en´ erer un signal p´ eriodique (porteuse) dans la gamme 3-3000 MHz • oscillateur ﬁxe • oscillateur ajustable contrˆ ol´ e en tension (VCO) • Phase Locked Loop (PLL) : multiplication d’une source par N/R, {R, N} ∈N • PLL fractionnaire : N ∈Q (rapport cyclique de deux N) • Direct Digital Synthesizer (composant num´ erique) 1/R 1/N cmd phase REF VCO 1 compare fVCO/N et fREF/R 2 mixer : cos(x) · cos(y) ∝ cos(x −y) 3 signal de cmd constant si fVCO/N = fREF/R 11 / 107 Transmission num´ erique J.-M Friedt Introduction Composants RF Modulations Partage du canal CDMA : cas du GPS Compression d’impulsion Bilan de liaison Capacit´ e de canal Antenne Synchronisation num´ erique Traitements logiciels de signaux RF Bibliographie Source radiofr´ equence Diverses fa¸ cons de g´ en´ erer un signal p´ eriodique (porteuse) dans la gamme 3-3000 MHz • oscillateur ﬁxe • oscillateur ajustable contrˆ ol´ e en tension (VCO) • Phase Locked Loop (PLL) : multiplication d’une source par N/R, {R, N} ∈N • PLL fractionnaire : N ∈Q (rapport cyclique de deux N) • Direct Digital Synthesizer (composant num´ erique) 1/R 1/N cmd phase REF uploads/Sante/ trans-num-l3-1.pdf