Transmission par ondes radio

  • Définition

    Une onde est une vibration. C'est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.

L'onde utilisée par les portables est une onde électromagnétique, elle comprend un champ électrique et un champ magnétique orientés perpendiculairement entre eux, ainsi qu’à la direction de propagation,ces champs varient sinusoïdalement dans l'espace et dans le temps.

Le spectre électromagnétique est un classement de toutes les ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d’onde et de leur fréquence. Les ondes radio constituent l’une des extrémités du spectre électromagnétique. Elles sont utilisées par les nombreuses formes de télécommunication comme la radio, la télévision ou le téléphone mobile. Il s’agit des ondes ayant les longueurs d’onde les plus grandes et donc les fréquences les plus basses du spectre.

Toutefois, d'autres auteurs considèrent que l'onde utilisée par les téléphones portables doit être classée plus précisément dans la catégorie des micro-ondes.

Les téléphones mobiles émettent dans une gamme de fréquences proche de celle des fours à micro-ondes, mais avec une puissance beaucoup plus faible :
1 ou 2 W à puissance maximale et 0.125 ou 0.250W en valeur moyenne contre 600 à 1000 W en continu pour les fours. C'est cette différence de puissance qui explique qu'on peut porter un liquide à ébullition dans un four à micro-ondes alors qu'il n'est pas possible d'élever la température du cerveau d'au plus un dixième de degré centigrade (augmentation par exemple, de la température de 37,1 à 37,2) en gardant un téléphone mobile à l'oreille.

  • Caractéristiques

 Les ondes radio sont caractérisées par leur longueur d'onde, de 1 cm à plus de 100 m. Une onde radio est uneonde électromagnétique dont la fréquence d'onde est par convention comprise entre 9 kHz et 3000 Ghz. Les ondes d’énergie électromagnétique se propagent toutes à la même vitesse, elles diffèrent en longueur et en fréquence (nombre d’ondes par seconde). Ces ondes se propagent dans l'atmosphèreterrestre à la vitesse de la lumière et avec une atténuation importante (proportionnelle au carré de la distance parcourue).Contrairement aux ondes sonores, qui ont besoin d'un support matériel pour se propager, les ondes électromagnétiques, elles, voyagent mieux dans le vide. Et vite : les ondes électromagnétiques filent à près de 300 000 km/s !

Comme toute onde, l’onde électromagnétique peut être représentée par une courbe
sinusoïdale.

     

    Elle se caractérise par :

  • La periode T, c'est le temps en secondes que met l'onde pour effecteur un motif.

  • La fréquence qui indique le nombre d’oscillations par seconde de l’onde. C'est l'inverse de la période. f=1/T avce f la fréquence et T la période. L’unité de fréquence est le hertz (Hz) qui est égal à une oscillation par seconde.

  • La longueur d’onde (λ), indique la distance entre deux sommets d’une même oscillation. Plus la fréquence est élevée, plus petite est la longueur d’onde puisque l’oscillation se resserre et plus l'onde pourra se propager sur une longue distance et sera moins sensible aux obstacles ( elle aura plus de facilité à contourner l'obstacle, ou à l'envelopper). Les vibrations des champs magnétique et électrique sont en phase. La vibration magnétique et la vibration électrique ont donc la même fréquence et la même longueur d’onde.

  • L’amplitude, notée A est la hauteur maximale que peut atteindre la courbe. Il
    s’agit de la distance entre la hauteur maximale et l’axe horizontal. Pour l’onde
    électrique, l’amplitude correspond à l’intensité du champ électrique de l’onde. Elle
    est exprimée en volts par mètre ( m V/ ). Pour l’onde magnétique, l’amplitude
    correspond à l’intensité du champ magnétique. Elle est en ampères par mètre
    ( A/m ).
    L’intensité du champ électromagnétique est en pratique mesurée par la densité
    de puissance qui s’exprime en watts par mètre- carré (W/m²).
    L’amplitude traduit l’intensité, la puissance de l’onde. Dans un téléphone portable, plus l’antenne est grande, plus il apparaît que l’amplitude de l’onde reçue augmente, et donc que le signal capté est plus intense.

    La polarisation correspond à l’orientation du champ électrique de l’onde. Si
    celui-ci est vertical, la polarisation est verticale. Le fait de dire qu’une onde est
    polarisée signifie que cette onde ne se déplace que dans un plan.


    La célérité est la vitesse de propagation d'une perturbation dans un milieu. Elle est propre à l'onde. elle s'exprime de la même façon que la vitesse (en m/s) c'est a dire V=d/t où t est le temps exprimé en seconde et d est la distance parcourue exprimée en m. (La célérité dépend également de la température du milieu).

La célérité peut aussi s'exprimer en fonction de la fréquence (f) et de la longueur d'onde (λ).

C=f x λ

La vitesse de la lumière est variable en fonction du milieu traversé : elle dépend de l'indice de réfraction n du milieu, suivant la relation v=c/n.

    Les deux composantes de l'onde sont liées entre elles par la relation de proportionnalité suivante :

E/H=Z avec

E : intensité du champ électrique en volts/mètre (V/m)

H : intensité du champ magnétique ampères par mètre (A/m)

Z : impédance caractéristique du milieu où l'onde se propage en ohms (Ω)

  • modulation

L’émission d’une onde électromagnétique de forme purement sinusoïdale ne permet la transmission d’aucune information ; pour que ce soit possible, il faut faire varier un des paramètres caractérisant la sinusoïde ; cette sinusoïde est appelée « fréquence porteuse » ou simplement « porteuse ». Les trois paramètres sur lesquels il est possible d’agir sont : l’amplitude, la fréquence ou la phase ; ce processus est appelé « modulation ».  La modulation d'amplitude permet la transmission de signaux de faibles fréquences par ondes électromagnétiques.

  • Le réseau GMS, lui, transmet l’information par mode digital. La conversation est dans un premier temps digitalisée, c'est-à-dire qu’elle en une suite de chiffres de 0 et de 1. Ces séries de chiffres sont alors « gravées » (comme la musique sur un disque compact) sur le signal à hautes fréquence. Lorsque ces valeurs parviennent au récepteur, elles sont décodées et à nouveau traduites en signaux analogiques.

  • Dans le cas de signaux binaires, la transmission du bit 0 correspond à l’absence de porteuse. Inversement, le bit 1 correspond à la présence de la porteuse.

  • Les rayonnements à haute fréquence servent de supports d’informations. L’information, par exemple une conversation ou une télécopie, est « gravée » sur une onde porteuse. A la lecture du signal à haute fréquence ainsi modulé, le récepteur est en mesure de retrouver l’information de départ.

N.B. : La modulation d’amplitude est utilisée, depuis très longtemps, pour la transmission de signaux analogiques ; dans ce cas, l’amplitude de la porteuse varie en fonction de l’amplitude du signal à transmettre.

Voici un exemple de modulation :

Un signal quelcquonque peut être décomposé. La décomposition en série de Fourier permet de fabriquer n'importe quel signal périodique à paritr de la fonction sinus suivant le principe qui suit. Le signal peut être une voix, sur l'axe des ordonnées il peut s'agir du son ou de la tension en fonction du temps.

Le logiciel utilisé est Graphe Easy.

1) Voici la courbe f de la fonction sinus : y=sin(x)



2) La courbe g d'équation y= sin (2x)

Cette courbe a une période deux fois plus courte que la fonction sinus. C'est la composée de f tel que f(x)=2x par g tel que g(x)=sin(x)

 

 




y=sin(2x+0,5) C'est l'image de la précédente fonction par une translation d' environ - 0,21 i .

 

y=(-3x-3)-sin(2x+0,5)


Modulation :
  • Le fonctionnement d’une antenne relais

Les antennes émettrices sont des conducteurs métalliques dans lesquels circulent des courants très haute fréquence. Les électrons y font des aller-retour très rapides, et cela crée un champ électromagnétique, qui se propage : une onde radio. Ce mouvement est combiné à un autre mouvement : une onde porteuse, c'est-à-dire, une onde qui porte l'information à transporter.

Les antennes réceptrices sont aussi des conducteurs métalliques dont les électrons se mettent en mouvement quand une onde radio arrive, exactement au même rythme que bougeaient les électrons dans l'antenne émettrice. Ce mouvement devient alors courant électrique, puis il est amplifié et filtré, pour en ôter l'onde porteuse et extraire l'information, le son ou l'image.

L’antenne émettrice envoie des ondes, la réceptrice les capte et les transforme en un courant électrique.

Un signal électrique dans une antenne peut se décomposer sous cette forme :

Dans la zone A, l’antenne est parcourue par une tension positive. Elle se charge positivement.

Pendant la zone B, la tension diminue jusqu’à être nulle. L’antenne va se décharger. L’énergie du champ électrique va retourner dans l’antenne, le champ électrique va décroitre.

Dans la zone c, l’antenne est paroucourue par tension négative . Elle se charge négativement. Elle va générer un champ électrique dans son entourage et émettre une énergie électrique.

Dans la zone D la tension remonte jusqu’à être nulle, l’antenne se décharge, l'énergie du champ électrique va refluer dans l'antenne le champ électrique va décroitre.

Dans une antenne réceptrice, le champ électrique va charger l'antenne ce qui va produire un courant dans l'antenne, le courant va se propager jusqu'au recepteur.



  • Canaux de transmission

Une liaison entre un téléphone mobile et une antenne-relais utilise deux canaux de transmission : un pour la voie montante et un pour la voie descendante. Un canal est constitué d'une onde radio (la porteuse) dont la fréquence varie. La figure 4 illustre le principe utilisé : une antenne-relais transmet vers 3 téléphones mobiles, notés P1, P2 et P3, au moyen d'une porteuse Le message binaire module la fréquence.

     

  • Durant un premier intervalle de temps T1, d'une durée de 577 μs, la porteuse est utilisée pour transmettre vers le téléphone P1 ; cet intervalle de temps est appelé « time slot » dans la terminologie GSM. Ensuite, le téléphone P2 reçoit pendant le second « time slot » T2. De la même manière, le téléphone P3 recevra les informations qui lui sont destinées pendant le troisième « time slot » T3, et ainsi de suite s'il y a d'autres téléphone mobiles dans la cellule. Une porteuse peut ainsi être partagée par 8 téléphone mobiles. A la fin du « time slot » T1, le téléphone P1 devra attendre pendant 7 « time slots » avant de recevoir à nouveau.

  • Transmission discontinue

Lors d’une communication avec un téléphone GSM, la transmission est interrompue lorsque son utilisateur ne parle pas ; cette fonction est appelée « discontinuous transmission » ; son but est de réduire la consommation électrique du téléphone afin d’accroître l’autonomie de la batterie. La réduction de consommation est une exigence importante vu la taille de plus en plus petite des téléphones mobiles. Le mécanisme de « discontinuous transmission » contribue, notamment, à réduire l’exposition moyenne aux champs électromagnétiques émis par le téléphone.

Toutefois, à l’autre extrémité de la liaison (par exemple un téléphone fixe), l’absence de réception (bruit) donne l’impression que la communication est interrompue ; un bruit « artificiel » (appelé « comfort noise ») est donc rajouté à la réception dans le but de remédier à ce problème.



  • Effets de trajets multiples

Comme l’illustre l'image ci-dessous, la transmission entre une antenne-relais et un téléphone mobile s’effectue généralement via plusieurs trajets. Il y a tout d’abord une onde directe parcourant le chemin le plus court, ainsi des ondes réfléchies par des obstacles (sols, bâtiments,…) et des ondes diffractées par des contours d’obstacles. Ces trajets ayant des longueurs différentes, il en résulte qu’un signal partant de la BTS au temps t0 parviendra au mobile à l’instant t1 et sera suivi d’échos plus ou moins décalés dans le temps en fonction de la longueur des différents trajets parcourus. 





Les ondes radio se propageant à 300 000 km/s dans l’air, il en découle qu’un écart

de trajet d’un km correspond à un retard de 3,3 μs. La durée d’un bit étant de 3,7 μs,

cela signifie que s’il existe une onde réfléchie parcourant un trajet dont la longueur

dépasse d’environ 1 km celle du trajet de l’onde directe, la qualité de la

transmission sera sérieusement affectée puisque à la réception, il y aura

superposition du bit n° N et de l’écho du bit n° N - 1.

    Nous allons résumer des lois de RenéDescartes et de Willebrord Snell van Royen sur la réflexion et de la réfraction.

La réflexion

Le rayon réfléchi est dans le plan d'incidence. Ce plan est formé par le rayon incident et la normale au point d'incidence. L'angle de féflexion est égal à l'angle d'incidence. i=r


La réfraction

Le rayon réfracté est dans le plan d'incidence. Les angles d'incidence θ1 et de réfraction θ2 vérifient la loi :n1 sin (θ1) = n2 sin ( θ2).

Comme un rayon lumineux est dévié lorsqu'il passe d'un milieu d'indice de réfraction n1 à un autre d'indice n2, une onde radio peut subir un changement de direction dépendant à la fois de sa fréquence et de la variation de l'indice de réfaction. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la propagation ionosphèrique, la réflexion que subit une onde décamétrique dans l'ionosphère est en fait une suite continue de réfractions. Il est possible de reproduire avec une onde radio dont la longueur d'onde est de quelques centimètres à quelques décimètres le phénomène observé avec une lentille ou un prisme en optique classique.

 

  • Ainsi, pour le cas du téléphone portable,l’onde directe et les différents échos ont, sauf circonstances exceptionnelles, des intensités différentes, puisque les mécanismes, tels que réflexion et diffraction intervenant dans la propagation, affectent l’amplitude du signal.


  • L’effet des trajets multiples donne donc lieu à des interférences entre bit successifs

(« intersymbol interferences » en anglais) ; sans un mécanisme de correction, ce phénomène rendrait impossible toute transmission de qualité à un débit binaire tel que celui du GSM, sur une distance de quelques km. Ainsi les grandes ondes (longueurs d'ondes hectométriques et kilométriques) peuvent pénétrer dans le moindre recoin de la surface terrestre.


 



Créer un site gratuit avec e-monsite - Signaler un contenu illicite sur ce site