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Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]
15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,
un thème de recherche transversal
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
3 – Mesures d'Antennes Large Bande
4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11
Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]
15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)
Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11
DivisionSignaux
DivisionSystèmes
DépartementEMG
(Supélec)
DivisionsOndes
Département de Recherche en
Électromagnétisme« Systèmes »« Signaux »
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
2
Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]
15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)
Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
Thèmes principaux développés :
- Prédiction et interpolation de signaux partiellement observés- Problèmes inverses (interface de la physique, des probabilités, des signaux et des images)- Traitement du Signal (TDS) en Télécommunications et outils pour le multimédia(égalisation, traitement d’antennes, séparation de sources, codage conjoint source-canal, tatouage de sons et d’images, téléphonie mobile)
DivisionSignaux
DivisionSystèmes
Thèmes principaux développés :
- L’analyse des systèmes dynamiques non linéaires (représentation de systèmes discrets et échantillonnés, passivité et stabilité)
- L’estimation des variables d’état ou des paramètres d’un système (un modèle dynamique non linéaire + données expérimentales, analyses numériques des problèmes inverses)
- La commande des systèmes continus, discrets, échantillonnés ou hybrides (concepts de passivité, d’échelles de temps multiples, de systèmes en cascade et de platitude).
- Les applications aux systèmes mécaniques, électromécaniques, électriques, électroniques, automobiles, biologiques, chimiques, hydrauliques.
Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]
15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)
Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11
DépartementEMG
(Supélec)
DivisionsOndes
Thèmes principaux développés :
- Les Systèmes Rayonnants Complexes (structure du système et interaction avec l’environnement, modélisation et caractérisation expérimentale en champ proche ou lointain)
- Compatibilité Électromagnétique ou CEM dans le domaine automobile ou des télécommunications (influence d’un environnement perturbateur espace et temps sur un système électronique ou inversement)
- Problèmes Inverses des Ondes (caractériser les sources à l’origine d’un rayonnement mesuré, caractérisation d’objets enfouis en milieu stratifié, modélisation numérique pour contrôle non destructif, imagerie micro-ondes, électromagnétique ou acoustique d’objets immergés).
Ces domaines variés couvrent des fréquences allant du quasi-continu (ELF, courants de Foucault) à la dizaine de GHz.
Aux problématiques déjà identifiées, s'ajoutent celles liées au développement de nouveaux services sans fil et aux antennes
qui leurs sont destinées.
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15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
Le Département de Recherche en Électromagnétisme (DRÉ)
- Chambre anéchoïque (base de mesures sphérique)- Chambre anéchoïque pour mesures en champsproche et lointain (base de mesures cylindriques)
- Chambre réverbérante (brassage de modes)- Caméra micro-ondes (2,45 GHz)- Mesures de DAS/SAR
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
Présentation du Laboratoire des Signaux et Systèmes(UMR 8506)
Tutelles : CNRS / Supélec / UPS 11
DépartementEMG
(Supélec)
DivisionsOndes
VNA/PNA0.1-20 GHz
2 à 3 m
1 à 2 m
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15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,
un thème de recherche transversal
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
3 – Mesures d'Antennes Large Bande
4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11
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15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Introduction sur l'ULB
Ultra Large Bande ou "Ultra Wide Band" : Terme introduit dans la littérature en 1992/1993 par Withington, Fullerton, Wu et Scholtz concernant les systèmes
de communication à étalement de spectre
C'est-à-dire
Un système pour lequel la bande passante occupée est volontairement (très) supérieure à la bande passante minimale nécessaire pour transmettre l'information
(cf. travaux de Shannon)
Avantages de l'étalement de spectre :- Robustesse face aux brouilleurs (intentionnels ou non)- Camouflage de l'information (sécurité)- Aspect multi-utilisateurs (les autres sont des brouilleurs)ceci nécessite l'orthogonalité
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
L'ULB et les systèmes de communication large bande
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1
2
3
4
5
6
7
8
B normalisé
C(B)
( )
( ) ( )
=
=
+=
=
∞→
0
20
B
02
00
N
P 1.4427
elog N
PBC
B.N
P1B.logBC
variance:N RSBB.N
P
Quel est l'avantage des systèmes large bande ?- La capacité ? (c'est-à-dire un plus haut débit)
Il existe un débit maximum pour
une puissance du signal P donnée et
un bruit de variance N0 donné
P/N0 = 5
P/N0 = 2
P/N0 = 1
P/N0 = 1/2
5.log2(e) = 7.2135
2.log2(e) = 2.8854
5
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Quel est l'avantage des systèmes large bande ?- La capacité ? (c'est-à-dire un plus haut débit)- La robustesse aux interférence (étalement de spectre)
L'ULB et les systèmes de communication large bande
Evanouissement fréquentieldu au milieu ou aux multi-trajets
Autre système de communication
bande étroite
Interféreursbloqueurs
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
L'étalement de spectre
Il existe trois méthodes d'étalement de spectre :
- étalement temporel ou "time hopping TH"
- étalement fréquentiel ou "frequency hopping FH"
- étalement par séquences pseudo-aléatoires ou "direct sequences DS"
DS se combine très aisément avec la répartition multi-utilisateurs par code : CDMA
temps
temps
Fréquence
2.F-code
2.F-dataFacteur d’étalement du spectre : SF (spreading factor)
data
code
F
FSF =
code
Données (data)
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Co-existence et interopérabilité
L'ULB est défini sur une bande de 3 à 10 GHz (pour simplifier) où beaucoup d'autres applications existent déjà.
� Les systèmes de communication ULB doivent donc s'inscrire dans une démarche de co-existence et d'interopérabilité
Gabarit spectral UWB « indoor »
Fréquence en GHz
Gabarit spectral UWB « outdoor »
Fréquence en GHz
Den
sit é
de p
uis s
ance
d’é
mis
sion
(dB
m/M
Hz)
ETSIFCC« Part 15 limit » ETSI
FCC« Part 15 limit »
802.11aWiFiGSM 1800
/ UMTS
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Co-existence et interopérabilité
L'effet proche/lointain "Near/Far" est également un problème. Comme pour tout les systèmes de communication, on défini une puissance moyenne et une puissance crête maximale
( ) ( )
( ) ( ) dBm 34 - B20.log Pmax
dBm B10.log41.3 Pmax
MHzen dB 3-10crête
MHzen dB 10-10moyenne
=
+−=
Ce sont des puissances très faibles en pratique, ce qui améliore la co-existence.Dans certains cas où le signal n'est pas continu (impulsions) il faut définir la
fréquence de répétition fr qui doit être inférieure à 1 MHz
L'ULB intègre aussi les aspects réseaux : couches PHY+MACPar exemple : liaison simplex interdite (10 sec de temps d'essai)
Multiplexage TDMA ou CDMA avec accès au réseau parfois en DAA
DAA : Detect And Avoid
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Les différentes approches pour l'utilisation du spectre ULB
Choix d'une méthode de modulation de l'information où la bande passante est très large (et où la puissance est limitée).
Transmission d'un signal continu multi-porteuses :Le multi-bandes (MB-)OFDM
Transmission d'un signal discontinu :"Impulse Radio" IR
Transmission d'un signal discontinu :"Impulse Radio" modulé MB-IR
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Transmission multi-porteusesSur sous-bandes(MB-OFDM,…)
Transmission par impulsionssur toute la bande B
(IR-UWB et ses dérivées)
Transmission par impulsionsSur des sous-bandes de B
(MB-IR-UWB, MB-OOK,…)
+ techniquesd'étalement de spectre si besoin
(DS, FH, TH,…)
Les différentes approches pour l'utilisation du spectre ULB
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Détails de l'approche impulsionnelle
Codage de l'informationen impulsionnel :
- Modulation bi-phase(inversion)
- Modulation tout ou rien(OOK)
- Modulation par position(PPM)
- Impulsions modulées par une porteuse
- Impulsions orthogonales :Approche polynomiale
Hermite, Legendre, Laguerre, Geguenbauer,…
Temps de répétition
1 10
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
ULB haut débit "versus" ULB bas débit
- L'approche MB-OFDM correspond mieux à une transmission de l'information haut débit à faible portée. La puissance d'émission du signal est continue. Pour 128 porteuses modulées en QPSK sur une bande de 528 MHzon peut atteindre en théorie 480 Mbits/sec...mais à moins de 10 mètres.
� cette approche convient mieux aux applications du type MULTIMEDIA (W-USB?)ex : un CD de 700 Mb = 10 min à 10 Mbits/sec et 20 sec à 300 Mbits/sec
- L'approche impulsionnelle correspond mieux à une transmission très faible consommation, longue portée. Compte tenu de la largeur des impulsions, on peut obtenir une précision de localisation très intéressante :
� GPS : 10 m // ULB : 60 cm
Il y a donc deux grands domaines d'applications : haut débit (High Data Rate) et localisation (Low Data Rate)
Ces deux applications vont conduire à des réalisations de systèmes de communication et des traitements
de l'information très différents. Le point commun reste bien évidemment la réalisation et le traitement de
données "large bande"
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Architecture des systèmes de communications ULB
Pour l'approche MB-OFDM, l'architecture de l'émetteur et du récepteur est assez classique, mais on doit faire face au problème de la largeur de bande dans le système. Les performances
de chacun des éléments sont modifiées de manière à couvrir la bande nécessaire.
+-
+-
Pour l'approche impulsionnelle, il faut repenser l'émetteur et le récepteur….- Comment mettre en forme le signal ? Comment détecter le signal correctement ?- L'information est elle portée par la présence du signal à un moment donné, ou par sa forme ?
Tout ceci conduit à des choix technologiques différents…ex. il existe (au moins) deux types de récepteurs : auto-corrélation (cohérent) et énergie (non-cohérent)
Traitement du signal
Détection de l'énergie
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2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
Le co-design
L'architecture du système doit prendre en compte les défauts en fréquence de chacun des éléments de la chaîneémission/réception. Il s'agit en fait d'une influence non-linéaire amplitude et phase en fonction de la fréquence.
Les antennes d'émission et de réception et le canal de propagation ont des caractéristiques extrêmementvariables en fréquence. Il faut également tenir compte des composants à l'interaction : les PA (Power amplifier)
et les LNA (Low Noise Amplifier). Une approche dite de co-design est nécessaire
PA LNA
- Gain (f)- Zout(f)- AM-AM (f,Pin)- AM-PM (f,Pin)
- DDR (f,θ,φ)- Φ (f,θ,φ)- Zin(f)
- bruit (f)- statistiques(ex multitrajets,…)
- DDR (f,θ,φ)- Φ (f,θ,φ)- heff (f)
- Gain (f) et NF (f)- Zin(f)- AM-PM (f)
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Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,
un thème de recherche transversal
1 – Laboratoire des Signaux et Systèmes
2 – Systèmes de communications Ultra Large Bande
3 – Mesures d'Antennes Large Bande
4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11
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15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
3 – Mesures d'Antennes Large Bande
(f1,θ,φ)
(f2,θ,φ)
(f3,θ,φ)
Le diagramme de rayonnement du champest fonction de la direction (θ,φ) et aussi de la fréquence :
( ) ( ) ( )ϕϕϕϕϕ ˆ θ,f,Hθ̂ θ,f,Hθ,f,H θ +=
Le problème central est le problème de la dispersion deL'antenne. trop souvent on confond une antenne multi-
bandes avec une antenne large-bande
frequence
frequence
frequence
frequence
Cas le plus contraignant : transmettre une impulsion
Fréquences retardées différemment : dispersion
Zg(f)
VgZa(f) Za(f)
h.E
(f,θ,φ)
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Critères de conception d'une antenne ULB
On veut faire rayonner une antenne sur une très grande bande de fréquence, donc elle doit être peu sélective et peu dispersive.
Eviter les structures résonantes, ou alors avec un très faible Q : les
antennes épaisses (bulbous)
Minimiser le trajet du centre de phaseen fonction de la fréquence : structures
les plus petites possibles (miniaturisation).
…de plus, il faut penser à l'adaptation large bande (cf Return Loss < -10 dB de 3 à 10 GHz !)
- Antenne résonnante à faible Q- Antenne indépendante de la fréquence (cf principe de Rumsey)- Antenne à onde progressive (Vivaldi,…)- Antennes fractales ?- Adaptation par le principe de Babinet ?
Fréquencemaximale
Fréquenceminimale
Trajet du centre de phase
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Critères de conception d'une antenne ULB
Principe de Rumsey :
Une antenne dont la géométrie ne dépend que d'un angle et pas d'une longueur est indépendante de la fréquence
Exemple : la spirale logarithmique
Principe de Babinet :
Le produit de l'impédance d'entrée d'une antenne (imprimée) et de son antenne complémentaire est constant : (60π)²
Exemple d'antenne fractale :Reproduction d'un motif permettant résonances sur des longueurs infinies (inf. de résonateurs)
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Critères de jugement
( )( )
( ) ( )( )
( )
=
ϕϕ
θ,à reçue impulsion :y
émise impulsion :x
0 R0R
τR θ,F
τmaxyyxx
xy
Impulsion émise
1ère impulsion reçue
2ème
3ème
Antenne(θ1, φ1)
(θ2, φ2)
(θ3, φ3)
On peut juger de la fidélité d'une antenne en simulation une réception cohérente : c'est çà dire en quantifiant le degré de ressemblance entre l'impulsion reçue et l'impulsion émise. C'est la fidélité.
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Critères de jugement
[ ] I Iareaspattern
radiation N
n
nxdBix ∑=
d cos dθ 4π
1 I
nmax(x)
nmin(x)
nmax(x)
nmin(x)
θ
θ
nx ∫ ∫=
ϕ
ϕϕϕ
( ) ( )4π
sinsin θ - θ I
nmax(x)
nmin(x)
nmin(x)
nmax(x)n
x
ϕϕ −=
Projection en 2D
0 dB
x dB
L1 L2
[ ] r.2π
LL I 21
dBix (2D) +
=
DDR (f)Caractérisation du comportement3D du diagramme de rayonnement
à chaque fréquence
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Critères de jugement
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Ix en % d'angle solide rayonnée
Frequence en GHz
I-6 dBi
I-9 dBiI-10 dBi
F0
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Mesures à l'analyseur de réseaux
Moteurs- 1) azimuth de la sonde- 2) polarisation de la sonde- 3) rotation du cône (support)
ParamètresS(f,θ,φ)
PNA 8753 0.1 – 20 GHz
LNA
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
Mesures en régime impulsionnel
Moteurs- 1) azimuth de la sonde- 2) polarisation de la sonde- 3) rotation du cône (support)
ParamètresTemporels
Fidélité(θ,φ)
Générateur d'impulsions
Oscilloscope(rapide)
LNA
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
c) F= 3 GHz
d) F= 5 GHz g) F= 11 GHzf) F= 9 GHze) F= 7 GHz
+5 dBi
-15 dBi
-35 dBi
∆mesure
∆simulation
0 dB
-10 dB
-20 dB
-30 dB5 GHz 10 GHz 15 GHz
θ
φ
θ : -155° à +155°et φ = 100°
Pour c) d) e) f) et g)
a) Adaptation de l'antenne b) conventions pour DDR
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0 5 10 15-5
0
5
10
15
20
25
30
θ : 25° φ : 50°
θ : 17° et 20°φ : 20°
θ : 12°φ : 50°
θ : 10° et 30°φ : 70°
2,5 rad/GHz
0,2 rad/GHz
30 rad
25 rad
20 rad
15 rad
10 rad
5 rad
-5 rad
Phase du coefficient de transmission de l'antenne
5 GHz 10 GHz 15 GHz Trajet de la sonde
Rotation du socle (cône)
Mesures en chambre Anéchoïqueau LSS-DRÉ (CNRS-Supélec-Paris XI)
3 – Mesures d'Antennes Large Bande
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
La Fidélité est calculée pour
différentes directions (θ, φ) à 1 m
Position angle(radius = 1m)
Théta (θ) Phi (φ)vector
θ
Fidelity
76.2 %45° 0°
φ 98.0 %45° 45°
θ 90.5 %130° 45°
φ 96.2 %130° 45°
θ 85.6 %-130° 45°
φ 79.8 %-130° 45°
θ 83.7 %130° -45°
φ 69.2 %130° -45°
θ 85.4 %130° 130°
φ 94.1 %130° 130°
θ 82.8 %45° 130°
φ 87.3 %45° 0°
φ 89.8 %45° 130°
θ 84.4 %45° -130°
φ 77.1 %45° -130°
θ 84.5 %45° -45°
φ 71.8 %45° -45°
θ 77.6 %130° 0°
φ 90.8 %130° 0°
θ 68.1 %-130° 0°
φ 92.0 %-130° 0°
φ 90.0 %-45° 0°
θ 50.0 %-45° 0°
θ 88.8 %45° 45°
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Frequence en GHz
I-6 dBi
I-9 dBiI-10 dBi
16
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un thème de recherche transversal
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3 – Mesures d'Antennes Large Bande
4 – PerspectivesA. Diet, MCF UPS 11
Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]
15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
4 – Perspectives
Conception Et mesures
d'antennes ULB� paramètresfréquentielset temporels
Extraction d'un modèle en temporel,Représentation pour simulation numérique
Dans une châine d'émission/réception(méthode de modélisation pôle/résidus…)
informationSignalULB
AntenneTx
AntenneRx
CanalULB
Quantifier l'influence (dispersive) des antennes sur la qualité de la liaison
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Laboratoire des Signaux et Systèmes - Département de Recherche en ÉlectromagnétismeLSS-DRÉ, Supélec, plateau du Moulon, 91190 Gif sur Yvette – [email protected]
15ème colloque Alain Bouyssy – 15-16 février 2007
Systèmes de Radio-communications “Très Large Bande”,
un thème de recherche transversal
Merci de votre attention