CDMa [PDF]

Zitiervorschau

République Algérienne Démocratique et Populaire

‫وزارة التعليـــــم العــــــــــالي والبحـــــث العلمـــــي‬ Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique

‫المركـــز الجــــــــــامعي بـــرج بوعريريــــج‬ Centre Universitaire de Bordj Bou Arréridj

Institut des Sciences et Technologie

Département d’Electronique

Les systèmes de communication à spectre étendu Étalement de spectre

Réalisé par : SAOUD Ayoub BRAHAM CHAOUCHE Yacine Fethallah SID AHMED Soumia

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Introduction L’histoire des télécommunications a commencé en 1792 avec le télégraphe optique de Chappe, conçu pendant la révolution française pour transmettre rapidement des informations entre le gouvernement et le pays. Ce télégraphe optique est remplacé à partir de 1838 par le télégraphe électrique de Morse. Puis, le téléphone fait son apparition en 1876, et les radiocommunications en 1895. A l’origine, toutes ces techniques permettaient des liaisons point-à-point, mono- utilisateur. Cependant, avec l’augmentation de la demande, les liaisons mono-utilisateurs n’ont plus été adaptées. Des méthodes d’accès multiple ont donc été développées. La première technique d’accès multiple est utilisée en 1920 pour les liaisons radio, sous le nom de FDMA (Fréquence Division Multiple Access : Accès Multiple par Répartition en Fréquence). Par la suite, d’autres méthodes d’accès multiple ont été développées et appliquées afin d’optimiser l’utilisation des supports de transmission.

Les systèmes de communication à spectre étendu I.1. Différentes techniques d’accès multiple Actuellement, les techniques d’accès multiple se répartissent en 3 grandes catégories. I.1.1. Méthode d’accès FDMA (Frequency Division Multiple Access) FDMA est la première méthode d'allocation, et elle est la plus facile à comprendre. FDMA est la méthode d’accès multiple la plus utilisée, elle permet de différencier les utilisateurs par une simple différentiation fréquentielle. En Effet, pour écouter l’utilisateur N, le récepteur ne considère que la fréquence FN associée. L’ implémentation de cette technologie soit très simple. I.1.1.1. principe de fonctionnement de FDMA Le multiplexage en fréquence (FDMA) consiste à diviser la bande passante du support de communication en bandes de fréquences distinctes, et chaque bande de fréquences est partagée en deux, une moitié est consacrée aux transmissions montantes (mobiles vers station de base) et l’autre moitié aux transmissions descendantes (station de base vers mobiles).On émettra les données du canal 1 dans la bande 1, celles du canal 2 dans la bande 2, etc.… La figure (I-1) le montre clairement.

Fig (I-1) :Configuration de le FDMA Si la voix est la capacité disponible dans la cellule, une paire de canaux est affectée à la station mobile pour la durée de l’appel d’un canal pour un appel vocal. L'hypothèse d'une mise en page typique des cellules, le nombre maximal d'appels voix dans une cellule serait d'environ 60. Il est clair, on ne peut pas soutenir des millions d'utilisateurs avec des moyens limités. I.1.2. Méthode d’accès TDMA (Time Division Multiple) Systèmes AMRT atténué la chaîne question de la capacité en divisant un seul canal radio en périodes et l'attribution d'un créneau à un utilisateur.

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Les systèmes de communication à spectre étendu Chaque utilisateur émet ou transmet ses donnés dans un intervalle de temps concret dont la Périodicité est définie par la durée de la trame (Fig (I-2)). Dans ce cas pour écouter l’utilisateur N, le récepteur n’a l’intervalle de Temps N associé à cet utilisateur.

Fig (I-2): Configuration de le TDMA I.1.3. Méthode d’accès CDMA (Code Division Multiple Access) CDMA (Code division multiple Access), en français Accès multiple par répartition en code (AMRC), est un système de codage des transmissions, basé sur la technique d'étalement de spectre. Il permet à plusieurs liaisons numériques d'utiliser simultanément la même fréquence porteuse comme montre la figure ci-dessous. Il est appliqué dans les réseaux de téléphonie mobile, dans le segment d'accès radio. Il est aussi utilisé dans les télécommunications spatiales, militaires essentiellement, et dans les systèmes de navigation par satellites comme le GPS.

Fig (I-3) :Configuration de le CDMA

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Les systèmes de communication à spectre étendu I.2. CDMA Les deux techniques FDMA et TDMA peuvent constituer un frein économique, car la première nécessite la synchronisation de tous les équipements terminaux, et la deuxième nécessite des filtres en longueurs d’onde accordables pour pouvoir s’adapter à la longueur d’onde désirée. Une autre technique dérivée des systèmes radiofréquences est envisagée depuis plusieurs décennies pour les communications optiques : le CDMA (Code Division Multiple Access). Cette technique est basée sur l’allocation d’un code à chaque utilisateur qui lui permet d’extraire du signal reçu, les informations qui lui sont destinées. I.2.1. Historique et Implantation du CDMA

Fig. (I-4) : Implantation de CDMA. Au début des années 20, Goldsmith utilise la FM pour étaler le spectre d’une modulation AM, afin de réduire l’effet du bruit et des trajets multiples sur une communication. • En 1993, le premier standard CDMA IS-95 a été utilisé • En 1995, la technologie CDMA technologie était commercialisée à Hong Kong et en Amérique. • En 1997, le réseau CDMA était implanté à Pékin, Xi’an, Shanghai. • En avril 2001, China Union commence la construction d’un réseau CDMA, le plus grand dans le monde Jusqu’à présent, la technologie CDMA est commercialisée dans plus de 40 pays dans le monde, et représente jusqu’à 20% d’utilisateurs.

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Les systèmes de communication à spectre étendu I.2.3. Description de la technique CDMA Le schéma général d’une liaison CDMA est présenté dans la Figure (I-5). (I 5). Elle est composée de 3 grandes parties : • L’émission : Nous avons au départ un signal de données qui possède un débit binaire D. chaque bit est subdivisé en un nombre k d’intervalles lles appelés bribes (chips), selon une séquence fixe propre à chaque utilisateur et servant à identifier ses flux, également qualifiée de code utilisateur. Le canal obtenu a un débit de kD bribes (chips) par seconde, puis les données étalées de tous les utilisateurs utilisateurs sont sommées. • La transmission : Les données étalées sont émises sur le support de transmission, qui peut être un câble (optique ou électrique), ou un canal hertzien. • La réception: destinataires. Chaque récepteur va extraire du Le signal reçu est reparti entre tous les récepteurs destinataires. signal reçu le message qui lui est envoyé, en comparant le signal reçu avec le code de l’utilisateur à détecter. La donnée transmise sera estimée à partir du degré de ressemblance entre le signal reçu et le code de l’utilisateur désiré.

Fig. (I-5) : Liaison CDMA. I.2.4. Etalement de spectre L’étalement du spectre (spread Spectrum) est une technique de transmission ou le signal occupe une largeur de bonde nécessaire pour transmettre l’information (Fig. (I-6)). (I

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Avant l’étalement.

Apre l’étalement. Fig. (I-6) : L’étalement de spectre.

L’étalement de spectre a été développé initialement à l’usage de l’armée et des services de renseignement. Le premier type d’étalement de spectre mis au point est appelé saut de fréquence (frequency hopping). Une forme plus récente est l’étalement par séquence séq directe (direct sequency). I.2.4.1. Etalement de spectre par saut de fréquence (FHSS) Avec l’étalement de spectre, ou FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum), Spectrum) le signal est transmis en diffusion générale en une suite apparemment aléatoire de fréquences fréquences radio, passant ou sautant d’une fréquence à une autre à des intervalles fixes. Pour récupérer le message transmis, le récepteur passe lui aussi d’une fréquence à une autre en synchronisation avec l’émetteur. Le principe de ce type d’étalement c’est c’est que plusieurs canaux sont alloués pour la transmission du signal, typiquement 2K fréquences porteuses formant 2Kcanaux. La largeur de chaque canal (l’espacement entre ces fréquences), correspond généralement à la bonde passante du signal en entrée. L’émetteur metteur opère sur un seul canal à la fois pendant un intervalle de temps fixe. Durant cet intervalle, un certain nombre de bits sont transmis au moyen d’une méthode de codage. L’émetteur et le récepteur doivent employer le même code pour pouvoir se placer placer simultanément sur un même canal. La figure (I-7) 7) donne un exemple de signal transmis selon cette technique.

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Assignation des canaux Utilisation des canaux Fig. (I-7) : exemple d’étalement de spectre par saut de fréquence. I.2.4.2. Etalement de spectre par séquence directe Avec étalement de spectre par séquence directe ou DSSS (Direct Séquence Spread Spectrum), chaque bit de signal d’origine est représenté par plusieurs plusieurs bits dans le signal transmis, à l’aide d’un code. Ce dernier étale le signal sur une bande de fréquences plus large, directement proportionnelle au nombre de bits de code utilisés. Ainsi, un code d’étalement de 10 bits répartit le signal à travers une bande ba de fréquence 10 fois plus large qu’un code de 1 bit. Une application de cette technique consiste à combiner le flux d’information numériques et le flux binaire du code d’étalement au moyen d’une opération XOR (ou exclusif), dont voici la logique : 0 XOR0=0

0 XOR 1=1

1 XOR 0=1

1 XOR 1=0

pour mieux comprendre comment cette technique fonctionne, supposons que l’on ait recours à la modulation BPSK (binary PSK pour représenter les deux valeurs binaires, la technique de modulation PSK s’appuie sur des variations de phases du signal porteur pour représenter les données). Plutôt que de représenter les données binaires par des 1 et des 0, il est plus commode pour notre propos d’employer une notation avec des +1 et des -1.. Ici, un signal BPSK peut être représenté comme l’équation (I-1) (I : Sd(t)=Ad(t)cos (2πfct) Ou : A : l’amplitude du signal ; fc : la fréquence porteuse ; d(t) : la fonction discrète qui prend la valeur +1 pour un temps bit si le bit correspondant dans le flux binaire est 1, et la valeur -11 pour un temps bit si le bit correspondant dans le flux binaire est 0. Pour produire le signal DSSS s(t), nous multiplions multiplion le signal précédent par c(t),qui qui est la séquence pseudopseudo aléatoire prenant les valeurs +1 et -1: S(t)= A d(t) c(t) cos (2πfct) [2010/2011]

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Les systèmes de communication à spectre étendu Au niveau du récepteur, le signal entrant est de nouveau multiplié par c(t). Le signal d’origine suivant est récupéré, sachant que c(t)×c(t) = 1 : S(t)c(t) = A. d(t)c(t)c(t) cos (2πfct) fct) = Sd(t) L’équation (I-3) 3) peut être interprétée de deux façons, conduisant à deux implémentations différentes. La première consiste d’abord à multiplier d(t) et c(t) puis à réaliser la modulation BPSK. Dans la seconde, on module d’abord le flux de données d(t) pour générer le signal Sd(t), qui est ensuite multiplié par c(t), une implémentation fondée sur la seconde interprétation est illustrée à la figure (I-8). (I

Fig. (I-8) : système DSSS. I.3. principe de fonctionnement d’étalement de spectre Le principe de l’étalement de spectre par codage celui qui est basé sur une séquence NRZ binaire pseudo-aléatoire. aléatoire. Cette séquence aléatoire est ensuite multipliée par le signal à transmettre, à un émetteur du message A codé et émis, représenté par une séquence séqu de +1,-11 traduisant la séquence de bits 1et 0 logiques, [2010/2011]

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Les systèmes de communication à spectre étendu est multiplié par la séquence pseudo-aléatoire aléatoire CA d’une séquence de +1et-1 +1et 1 (les chips). Pour un émetteur du message B subit le même traitement mais avec un autre pseudo-aléatoire pseudo aléatoire CB les séquences séquence produites A×CA et B×CB sont ajoutées et transmises. A la réception, le destinataire du message A multiplie la séquence reçue par le code CA, et pour le destinataire du message B le multiplie la séquence reçue par le code CB. Si les codes sont bien choisis, sur la durée d’un bit (donc de m chips), la moyenne moyenne de CA×CA et de CB×CB est égale à m/2, tandis que les codes CA×CB a une moyenne nulle : les codes CA×CB sont dits « orthogonaux » la figure (I-9) (I illustre un exemple sur le principe de fonctionnement d’étalement de spectre.

Fig.(I-9). Schéma montrant un exemple sur le principe d’étalement de spectre. Conclusion : A l’origine, la technique CDMA a été développée pour les communications hertziennes militaires. En effet, le codage d’une donnée permettait : • d’une part de sécuriser l’information car il il est difficile de récupérer l’information transmise sans la connaissance du code. • d’autre part, de résister au brouillage éventuel et au bruit, car le spectre du signal transmis est très large, et la multiplication par le code en réception permet de diminuer diminuer l’impact des perturbations. Actuellement, la technique CDMA est exploitée pour les communications mobiles, principalement afin de maximiser la capacité du réseau. Elle permet également de s’affranchir des difficultés respectives des deux autres techniques chniques pour la mise en œuvre du réseau, qui sont la séparation des bandes allouées à chaque utilisateur pour la technique FDMA (ou WDMA), et la synchronisation sur la même horloge de l’ensemble des terminaux (émetteurs ou récepteurs) pour la technique TDMA. TD

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