Faculté des sciences et de génie Département de génie électrique et de génie informatique Jean-Yves Chouinard Baccalauréat en génie électrique et en génie informatique Systèmes de communications GEL-3006 (82878) Systèmes de télécommunications Notes de cours, édition automne 2017
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Faculté des sciences et de génieDépartement de génie électrique et de génie informatique
Jean-Yves Chouinard
Baccalauréat en génie électrique et en génie informatique
Systèmes de communicationsGEL-3006 (82878)
Systèmes de télécommunications
Notes de cours, édition automne 2017
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Systèmes de télécommunications
• Systèmes de téléphonie
• Systèmes de radiocommunication cellulaires
• Systèmes de télédiffusion
• Systèmes de télécommunications par satellite
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Systèmes de télécommunications
• Systèmes de téléphonie
• Systèmes de radiocommunication cellulaires
• Systèmes de télédiffusion
• Systèmes de télécommunications par satellite
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Système téléphonique originalLe système téléphonique de base (analogique) a évolué à partir du simple circuit analogique inventé par Alexander Graham Bell en 1876.
Référence : fig. 8.1 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–1 Historical telephone system.
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Système téléphonique analogique local
Référence : fig. 8.2 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–2 Local analog telephone system (simplified).
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Système téléphonique (concentrateurs de lignes)
Pour des distances dépassant quelques kilomètres (selon la grosseur des fils utilisés), il faut avoir recours à des concentrateurs (remote terminal).
Référence : fig. 8.3 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–3 Telephone system with remote terminals.
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Système téléphonique (concentrateurs de lignes)
Chaque concentrateur de lignes contient une carte de conversion :
Référence : fig. 8.4a du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–4(a) Remote terminal (RT). (a) POTS Line Card in a RT.
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Système téléphonique (lignes numériques)Lignes numériques : ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
Référence : fig. 8.5 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–5 G.DMT digital subscriber line.
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Système téléphonique (lignes numériques)Lignes numériques ADSL:
Référence : fig. 8.5 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–5 G.DMT digital subscriber line.
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Système téléphonique (lignes numériques)
Le réseau numérique intégré de services (RNIS) (en anglais : ISDN (Integrated Service Digital Network), est populaire au Japon et en Europe, mais peu répandu en Amérique du Nord.
Référence : fig. 8.6 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–6 N-ISDN system with subscriber equipment attached.
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Systèmes de télécommunications
• Systèmes de téléphonie
• Systèmes de radiocommunication cellulaires
• Systèmes de télédiffusion
• Systèmes de télécommunications par satellite
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Systèmes de télécommunications radio cellulaires :
• communication avec mobiles et portables
• possibilité d’un grand nombre d’utilisateurs
• utilisation efficace du spectre de fréquences
Transmission dans les canaux radio mobiles :
• propagation par trajets multiples (multivoie) (multipath)
• affaiblissements quasi-périodique des signaux (fading)
• canaux dispersifs en temps (interférence intersymbole)
• effet Doppler (mouvement du véhicule)
• bruit
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Référence : fig. 8.29 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–29 Cellular telephone system.
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Référence : fig. 12.17 du livre de référence (B.P. Lathi et Z. Ding, Modern Digital and Analog Communication Systems, 4e éd., 2009).
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Nombre de cellules dans un système cellulaire :
2 2 3( 1, 1)
N i ij ji j
= + + == =
2 2 7( 1, 2)
N i ij ji j
= + + == =
2 2 12( 2, 2)
N i ij ji j
= + + == =
1
2
3
1
5
2
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4
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1
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10
11
8
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Référence : tableau 9.15 du livre de référence (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Nombre de cellules en fonction du schéma de réutilisation des fréquences :
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Réutilisation des fréquences dans un système radio cellulaire :
1
5
2
3
4
6
7
1
5
2
3
4
6
7
1
5
2
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6
7
1
5
2
3
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6
7
1
5
2
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6
7
1
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2
3
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6
7
1
5
2
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4
6
7
dco
r
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Référence : fig. 10.30 du livre de référence (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 7e éd.).
Grille hexagonale (système de coordonnées) pour un système cellulaire :
( )Cellules (hexagonales) :
coordonnées du centre des cellules : ,rayon (normalisé) d'une
1cellule hexagonale : 3
distance entre les centres de cellules = 1
nombre de cellules (schéma de répétition)
u v
r
⇒
⇒
=
⇒
⇒2 2
:
, où , sont des entiers
interférence co-canal (stations de base émettant sur la même fréquence) :
13 33co
N i ij j i j
d N r N N
= + +
⇒
= = =
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Schéma de répétition d’un système cellulaire (cdmaOne : N=3)
2 2 3, ( 1, 1)N i ij j i j= + + = = =
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
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3
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2
3
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2
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1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Schéma de répétition d’un système cellulaire (GSM : N=7)
2 2 7, ( 1, 2)N i ij j i j= + + = = =
1
5
2
3
4
6
7
1
5
2
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6
7
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Schéma de répétition d’un système cellulaire (AMPS : N=12)
2 2 12, ( 2, 2)N i ij j i j= + + = = =
1
5
2
3
4
6
7 9
10
11
8
12
1
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8
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1
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1
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2
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7 9
10
11
8
12
1
5
2
3
4
6
7 9
10
11
8
12
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Systèmes de télécommunications cellulaires :Pertes de propagation, interférence co-canal et SIR
( )
( )
( )
0
00 0 0
dBW 0,dBW 10 0 10
Puissance à une distance (par rapport à la distance ) :
, où est la puissance [watts] à une distance de référence
10 log 10 log [dBW]
Rapport signal-à-int
P r r r
rP r P P rr
P r P r r
α
α α
=
= + −
( ) ( )
( )
dB
dB dBW dBW
signal désiré à interférence co-canal à
dB 0,dBW 10 0 10 0,dBW 10 0 10
dB
erférence co-canal :
10 log 10 log 10 log 10 log
10 log
A co A
A co A
r d r d d
A co A
SIR
SIR P d P d d
SIR P r d P r d d
SIR
α α α α
α
= = −
= − −
= + − − + − −
=
10co A
A
d dd
−
co Ad d−Adstation A station B
mobile
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Systèmes de télécommunications cellulaires :Pertes de propagation, interférence co-canal et SIR
( )
dB 10 10
dB 10
Rapport signal-à-interférence co-canal :
10 log 10 log 1
Rapport signal-à-interférence co-canal à mi-chemin = (pire cas) :
10 log 0 [
co A co
A A
co A A
co A
co A
d d dSIRd d
d d d
d dSIRd d
α α
α
−= = −
−
−= = −
dB]
commutation de la station de base à la station de base A B⇒
( )co A Ad d d− =Adstation A station B
mobile
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Systèmes de télécommunications cellulaires :Pertes de propagation, interférence co-canal et SIR
Rapport signal-à-interférence co-canal minimal (GSM : 7) :N =
mobile
station G
station F
station B
station E
station D
station C
station A
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Systèmes de télécommunications cellulaires :Pertes de propagation, interférence co-canal et SIR
00
min
00
Rapport signal-à-interférence co-canal minimal (cellules hexagonales) :
• Systèmes MIMO à antennes mutiples de transmission et de réception
• Modulation adaptative et codage
• 5e génération (2020) :
• Réseaux sans fil hyperdenses :• Communications machine à machine, dispositif à dispositif
• Capacité accrue d’un facteur 1000 par unité de surface (aire)• 10 à 100 fois plus de dispositifs
• Débits entre utilisateurs de 10 à 100 fois plus élevés
• Durée de vie des piles 10 fois plus longues
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Systèmes de télécommunications cellulaires
Référence : tableau 9.16 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Systèmes radio cellulaires de 1ère et 2e génération :
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Systèmes de télécommunications cellulairesSystèmes radio cellulaires de 3e génération (début) :• capacité de transmission (W-CDMA: 1.8 à 1036.8 kbps, cdma2000: 7.5 à 5740 kbps)• transmission de voix et données
Référence : tableau 9.17 du livre de référence (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
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Référence : tableau 9.17 du livre de référence (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Systèmes de télécommunications cellulairesSystèmes radio cellulaires de 3e génération (fin) :
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Réseaux locaux sans fil (wireless LAN) IEEE 802.11b
Référence : fig. 12.21 du livre de référence (B.P. Lathi et Z. Ding, Modern Digital and Analog Communication Systems, 4e éd., 2009).
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Systèmes de télécommunications
• Systèmes de téléphonie
• Systèmes de radiocommunication cellulaires
• Systèmes de télédiffusion
• Systèmes de télécommunications par satellite
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Systèmes de télédiffusion(génération d’un signal de télévision monochrome)
Référence : fig. 8.30 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–30 Generation of a composite analog black-and-white video signal.
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Systèmes de télédiffusion(émetteur de télévision analogique monochrome NTSC)
Référence : fig. 8.31 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–31 TV transmission system.
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Systèmes de télédiffusion(récepteur de télévision analogique monochrome NTSC)
Référence : fig. 8.32 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–32 Black-and-white TV receiver.
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Systèmes de télédiffusion(transmetteur de télévision analogique couleur)
Référence : fig. 8.34 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–34 Generation of the composite NTSC baseband video signal. [Technically, mq(t) is low-pass filtered to an 0.5-MHz bandwidth and mi(t) is low-pass filtered to a 1.5-MHz bandwidth.]
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Systèmes de télédiffusion(enveloppe complexe de la sous-porteuse couleur)
( )( )( )
( )( )( )
( )( )
Matrice de transformation de RGB à luminance-chrominance :
0.3 0.59 0.110.6 0.28 0.320.21 0.52 0.31
Signal en bandevidéo composite de NTS base :
in
C
t
y R
i G
q B
sc
m t m tm t m tm t m t
m tm t
= − − −
=( ) ( )
( ) ( ) ( )
2
33
ervalle de temps de synchronisation
intervalle de tem
enveloppe complexe de la sous porteuse vidéo
ps vidéo
où l' est
scj f ty sc
jsc i q
m t g t e
g t m t jm t e
π
+ℜ
= +
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Systèmes de télédiffusion(enveloppe complexe de la sous-porteuse couleur)
Référence : fig. 8.35 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–35 Vectorscope representation of the complex envelope for the 3.58-MHz chrominance subcarrier.
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Systèmes de télédiffusion(récepteur de télévision analogique couleur NTSC)
Référence : fig. 8.36 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–36 Color TV receiver with IQ demodulators.
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Systèmes de télévision numérique
DVB : ATSC :
Modulation numérique (regénération des trains d'ondes binaires)Utilisation de circuits de traitement du signalCanaux audio
Digital Video BroadcastingAdvanced Television System Committee
⇒⇒⇒ multiples (de 4 à 6 canaux de qualité CD)
Cancellation des effets (fantômes) dus à la propagation multivoiePossibilité de transmettre plusieurs canaux SDTV simultanémentPossibilité de multiplexer d
⇒⇒⇒ es données (e.g. titrage)
Puissance d'émission requise plus faible (modulation numérique)Interférence co-canal plus faible qu'en TV analogique (NTSC)
⇒⇒
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Systèmes de télédiffusion(trame temporelle d’un signal de télévision numérique 8-VSB)
Référence : fig. 8.38 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–38 8-level baseband signal with segment sync.
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Systèmes de télédiffusion(spectre d’un signal de télévision numérique 8-VSB)
Référence : fig. 8.39 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–39 Spectrum of 8-VSB DTV signal with square root raised cosine-rolloff.
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Systèmes de télécommunications
• Systèmes de téléphonie
• Systèmes de radiocommunication cellulaires
• Systèmes de télédiffusion
• Systèmes de télécommunications par satellite
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Systèmes de localisation GPS par satellite
Référence : fig. 12.20 du livre de référence (B.P. Lathi et Z. Ding, Modern Digital and Analog Communication Systems, 4e éd., 2009).
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Télécommunications par satellite
• Le signal reçu par l’usager doit être assez puissant.• Utilisation des orbites:
Figure 8–8 Communications satellite in geosynchronous orbit.
Référence : fig. 8.8 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
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Satellite de télécommunication: transpondeur
• Un satellite de communications possède un certain nombre de transpondeurs qui amplifient le signal reçu et le retransmettent.
• Dans la bande 6/4 GHz, les satellites ont typiquement 24 transpondeurs, chacun ayant une largeur de bande de 36 MHz.
• Les fréquences sont réutilisées: polarisation verticale sur 12 transpondeurs et polarisation horizontale sur les 12 autres.
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Méthodes d’accès multiple (satellite)
• Semblable à ce qui existe pour les systèmes terrestres: • MRT: multiplexage temporel (TDM): DS1, DS-2, .... • MRF: multiplexage fréquentiel (FDM).
• Une différence avec les systèmes terrestres: accès multiple à partir de plusieurs points:– AMRT: accès multiple à répartition de fréquences
(FDMA: frequency-division multiple access),– AMRT: accès multiple à répartition dans le temps
(TDMA: time-division multiple access);– AMRC: accès multiple à répartition de codes
(CDMA: code-division multiple access);– AMRC: accès multiple à répartition de faisceaux (antennes)
( SDMA: space-division multiple access).
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Méthodes d’accès multiple (satellite)
• De plus, on peut utiliser l’un des deux systèmes suivants:– Accès multiple à assignation fixe (FAMA: fixed-assigned
multiple access) et– Accès multiple à demande d’assignation (DAMA: demand-
assigned multiple access).
• DAMA: les formats AMRT (TDMA), AMRF (FDMA) ou AMRC (CDMA) sont adaptés selon le traffic –utilisation plus efficace du satellite, mais plus cher à réaliser et à maintenir.
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Méthodes d’accès multiple (satellite)
• En FDMA, il se produit de la modulation d’amplitude lorsque les porteuses sont activées ou dé-activées: la non-linéarité (typique) des amplificateurs de puissance peut causer des produits d’intermodulation.
• En TDMA, il n’y a pas ce problème, puisqu’un seul signal à enveloppe constante (e.g. QPSK) est utilisé. Par contre, il faut un contrôle strict des temps de transmission (synchronisation plus précise).
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Systèmes de télécommunications par satellite
Référence : fig. 9.32 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
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Méthodes d’accès multiple (satellite)
Référence : fig. 8.13 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–13 Interleaving of bursts in a TDMA satellite.
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Méthodes d’accès multiple (satellite)
Référence : fig. 8.14 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
Figure 8–14 Typical TDMA frame format.
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Systèmes de radiodiffusion par satellite
Référence : tab. 8.3 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
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Systèmes de radiodiffusion par satellite
Référence : tab. 8.3 du livre de référence (Leon W. Couch, Digital and Analog Communication Systems, 8e éd., 2013).
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Systèmes de télécommunications par satellite
Référence : fig. 9.29 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Configurations de liaisons satellite : « bent-pipe » et « On-Board Processing »
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Systèmes de télécommunications par satellite
Référence : fig. 9.30 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Diagramme de rayonnement d’une antenne :
0 2
2
22
0 2
4Gain d'antenne maximal :
: aire de l'antenne [m ]: longueur d'onde [m]: efficacité de l'antenne
4Antenne à ouverture circulaire : 4
: diamètr
a
a
a a
G A
A
d dG
d
πρλ
λρ
π π πρ ρλ λ
=
⇒⇒⇒
= =
⇒
3 dB
e de l'antenne [m]
Largeur du faisceau à mi-puissance (approximation) : [radians]ad
λφρ
≅
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Systèmes de télécommunications par satellite
Référence : fig. 9.31 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Station terrestre de transmission-réception satellite
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Budget de liaison : liaison satellite-terrestre
Référence : fig. 9.34 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
Budget de liaison :• amplification et retransmission : (Bent-pipe relay)• démodulation et remodulation : (OBP: Ob Board Priocessing)
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Budget de liaison : (Bent-pipe relay)Liaison montante entre le transmetteur terrestre et le relais satellite ( )
: puissance du signal reçu au satellite: puissance du bruit reçu au satellite
: gain du relais satellite (répét
us
un
uplinkPPG
⇒⇒⇒
( )
itrice): puissance du signal transmis du satellite au récepteur terrestreT
T us un
P
P G P P
⇒
= +
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Budget de liaison : (Bent-pipe relay)Liaison descendante entre le relais satellite et le récepteur terrestre ( )
: gain de l'antenne de transmission au satellite: pertes de puissance atmosphériques dans la liaison descendante
t
a
downlinkGL
⇒⇒
TOT
: pertes de propagation dans la liaison descendante
: gain de l'antenne de réception au récepteur terrestre: gains et pertes combinées de la liaison descendante
: puissance du signal reçu
p
r
rs
LGGP
⇒
⇒⇒⇒
TOT
au récepteur terrestre
t rrs us us
a p
G GP GG P G PL L
= =
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Budget de liaison : (Bent-pipe relay)Bruit dans la liaison descendante entre le satellite et le récepteur terrestre
: puissance du bruit causé par la liaison montante au satellite: puissance du bruit au récepteur terrestre causé p
un
dn
PP
⇒⇒
TOT
ar la liaison descendante: puissance du bruit au récepteur terrestre causé par la liaison montante :run
t rrun un un
a p
P
G GP GG P G PL L
⇒
= =
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Budget de liaison : (Bent-pipe relay)
Rapport porteuse-à-bruit ( ) au récepteur terrestre: puissance du signal reçu au récepteur terrestre: puissance du bruit au récepteur terrestre causé par la liaison monta
rs
run
carrier - to - noise ratioPP
⇒⇒
TOT
TOT
TOT
TOT
TOT
TOT TOT
nte: puissance du bruit dans la liaison descendantedn
t rus
a prs usr
run dn un dnt run dn
a p
us
usr
un dn
us us
P
G GG PL LP GG PCNR
P P GG P PG GG P PL L
GG PGG P
CNRGG P PGG P GG P
⇒
= = =
+ + +
=
+
TOT
TOT
1
1 où et 1 1
un dn
us us
un dnr u d
us us
u d
P PP GG P
P PCNR CNR CNRP GG P
CNR CNR
=
+
= = = +
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Budget de liaison : (Bent-pipe relay)
( )0
0
Relation entre et le rapport signal-à-bruit :
: puissance de la porteuse (modulée): énergie par symbole: durée d'un symbole: densité spectrale de puissance: largeur de bande
s
c
s
s
T
CNR SNR E N
PETNB
⇒⇒⇒⇒⇒
( )
( ) ( )
( ) ( )
0 0 0
0
0 0
0 0
de transmission (en bande passante)
1 11 1 1 1
où et : rapports signal-à-bruit en liaiso
s
sc sT s
T T
sr
r
u d s su d
s su d
ETP ECNR CNR B T
N B N B N
ECNRN
CNR CNR E N E N
E N E N
= = ⇒ = ⋅ ⋅
= ⇒ = + +
ns montante et descendante
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Budget de liaison : (Bent-pipe relay)
6
0
10
0
Exemple 9.9 (Ziemer et Tranter) :
Modulation BPSK : 2 et
probabilité d'erreur : 10 rapport signal-à-bruit : 10.53 [dB]
1
s b s b
bE
récepteur
b
récepteur b b
uplink
M T T E E
EPN
EN E E
N N
−
−
= ⇒ = =
= ⇔ ≅
=
+
10.53 101
0
1 1 10
0 0 0
10 11.298 (en linéaire)
1 1
111.298
downlink
b
downlink b b b
récepteur uplink uplink
EN E E E
N N N
−
− − −
= =
⇒ = =
− −
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Budget de liaison : (Bent-pipe relay)
Référence : tableau 9.13 et fig. 9.36 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).
6
0
Exemple 9.9 : modulation BPSK, 10 et 10.53 [dB] :bE
récepteur
EPN
− = =
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Budget de liaison : OBP (On Board Processing)
Budget de liaison (démodulation et remodulation) : (On Board Processing)
, , , ,
, ,0 0u
Probabilité d'erreur : 2
2 2où et
E E u E d E u E d
b bE u E d
d
P P P P P
E EP Q P QN N
= + − ⋅
= =
GEL-3006 Systèmes de communications Jean-Yves Chouinard, Département de génie électrique et de génie informatique
Budget de liaison : OBP (On Board Processing)
Référence : tableau 9.14 et fig. 9.36 du manuel de cours (Ziemer et Tranter, Principles of Communications, 6e éd.).