• 12 heures
  • Moyenne

Ce cours est visible gratuitement en ligne.

course.header.alt.is_video

course.header.alt.is_certifying

J'ai tout compris !

Mis à jour le 16/05/2019

Décrivez les principaux paramètres d’une transmission radio

Connectez-vous ou inscrivez-vous gratuitement pour bénéficier de toutes les fonctionnalités de ce cours !

Schéma bloc d’une chaîne de transmission radio

Parlons maintenant d’une chaîne de transmission radiofréquence, comme par exemple celle créée entre la télécommande d'un drone et son récepteur associé. L’information à transmettre est convertie par un processeur en une série de valeurs binaires qu’on appellera par la suite un signal en bande de base.

Pourquoi appelle-t-on ce signal "bande de base" ?

Tout simplement parce qu’il se retrouve autour de la fréquence zéro, comme on peut le remarquer sur la figure suivante :

Obtention du signal bande de base
Obtention du signal bande de base.

Quant à l’information à transmettre, celle-ci peut être la tension en sortie d’un capteur, un signal audio, une image, ou, dans  notre cas, la position des différents boutons avec lesquels le drone est piloté.

Comme illustré sur la figure suivante, ce signal en bande de base est transposé vers les hautes fréquences grâce à un modulateur qui modifiera les propriétés d’une fréquence radio (ou radiofréquence) fC au rythme de données à transmettre. Le signal ainsi formé est amplifié par un amplificateur de puissance qui est attaché à une antenne. L’antenne transforme le signal électrique en sortie de l’amplificateur en un signal électromagnétique qui est rayonné autour d’elle.

Transposition vers les hautes fréquences du signal bande de base
Transposition vers les hautes fréquences du signal bande de base.

Quand le signal se propage entre l’antenne d’émission et celle de réception, il subit certains phénomènes, principalement de l’atténuation, des interférences et le rajout du bruit. Il arrive donc affaibli, c’est-à-dire avec un niveau de puissance faible, à l’antenne du récepteur.

Côté récepteur, le signal reçu est amplifié par un amplificateur dit faible bruit et transposé à nouveau en bande de base par un démodulateur. Le signal ainsi récupéré est une séquence binaire qui est similaire à celle émise. La qualité de la transmission se quantifie par le nombre d’erreurs qui sont faites entre le signal bande de base émis et celui qui est reçu.

Réception d'un signal radio
Réception d'un signal radio.

Mais quelles fréquences peuvent être utilisées comme porteuses RF ? 

Il faut savoir que l'utilisation du spectre des fréquences est très réglementée. À titre d'exemple, la figure suivante montre combien le spectre est divisé entre les différents opérateurs (commerciaux, civils et militaires), et la pléiade des communications radio qui peuvent avoir lieu autour de nous :  télévision, téléphonie mobile, radionavigation, radio amateur, pour ne citer qu'elles. Généralement, l'accès au spectre de fréquences se fait après l'achat d'une licence, sauf pour les bandes libres comme par exemple les bandes ISM (industriel, scientifique et médical). Cliquez ici pour voir la répartition du spectre des fréquences aux États-Unis. Une répartition similaire est faite en Europe.

Bilan de liaison entre l’émetteur et le récepteur

Nous avons vu dans la section précédente que l’on a besoin de transposer en fréquence le signal d’information pour pouvoir l’adapter au canal de propagation ; dans notre cas, l’espace libre.

Deux antennes  qui se trouvent en éspace libre et en visibilité directe
Deux antennes qui se trouvent en espace libre et en visibilité directe.

Entre l’antenne d’émission et celle de réception, le signal subit une atténuation et le modèle mathématique le plus simple pour décrire cette atténuation est donné par l’équation des télécommunications, ou encore équation de Friis :

PR=(λ4πdistance)2PEGEGR

Dans cette équation, les paramètres qui interviennent sont les suivants :

  •  PE représente la puissance délivrée à l’antenne d’émission, à condition que l’émetteur soit adapté à l’antenne. Cette puissance est mesurée en watts ;

  • PR est la puissance reçue par l’antenne de réception, mesurée en watts ;

  • GE et GR sont les gains de deux antennes, d'émission et de réception respectivement ;

  • λ est la longueur d’onde du signal émis, en mètres.

Rappelons que  λ est le ratio entre la vitesse des ondes (dans notre exemple, la vitesse de la lumière  3108m/sec), et la fréquence du signal porteur.

Généralement, on utilise la version en décibels de cette formule :

  (PR)dBm=(PE)dBm2220log10(distanceλ)+(GE)dBi+(GR)dBi

La diminution de la puissance recue en fonction de la distance entre l'antenne d'émission et celle de reception
La diminution de la puissance reçue en fonction de la distance entre l'antenne d'émission et celle de réception.

L'indice dBm suggère l'utilisation du niveau de  puissance de référence d'un milliwatt.  Un niveau de puissance P en watts peut être écrit comme : 

(P)dBm=10log10P[W]103W

Pour rappel, le niveau de puissance en dB , parfois noté dBw , est donné par la puissance P d'un signal rapportée au niveau de référence de 1 W. 

(P)dB=10log10P[W]1W

L'indice dBi se réfère au gain de deux antennes rapporté au niveau de référence, qui est la puissance de l’antenne isotrope émise dans la même direction. Nous allons voir plus en détail ce que représente le gain d’une antenne dans la section suivante.

Caractéristiques principales des antennes

Dans les sections précédentes nous avons vu que :

  • dans le cas de l’émission, l’antenne transforme le signal électrique en un signal rayonné autour d’elle ;

  • dans le cas de la réception, l’antenne capte les ondes électromagnétiques et les convertit en un signal électrique ;

  • les caractéristiques électriques des antennes, notamment leur gain, jouent un rôle important dans l’établissement de la liaison radio.

Pour définir les caractéristiques électriques d'une antenne, regardons ensemble la figure suivante qui schématise un émetteur radio connecté à une antenne, à travers une ligne de transmission.

Schéma de connexion d'un emetteur à une antenne
Schéma de connexion d'un émetteur à une antenne.

Sur cette figure, PI représente la puissance qui arrive en entrée de l'antenne,  Pant est la puissance qui est fournie à l'antenne après avoir perdu PE à cause des phénomènes de désadaptation d'impédance entre le "feeder" (ligne de transmission reliant l'antenne à l’émetteur), et l'impédance d'entrée de l'antenne ZE .

Généralement, comme caractéristiques principales d'une antenne, on définit le gain, sa directivité, son diagramme de rayonnement et son impédance d’entrée. Pour définir ces paramètres, il nous faut d'abord considérer que notre antenne se trouve dans le centre d'un repère cartésien tridimensionnel, comme illustré sur la figure suivante.

Mesure des angles d'élévation et d'azimut dans un repère cartésien
Mesure des angles d'élévation et d'azimut dans un repère cartésien.

Dans ce repère, l'angle mesuré dans le plan horizontal (x0y) à partir de l'axe Ox, s'appelle angle d'azimut et il est noté avec la lettre φ .  L'angle mesuré dans un plan vertical à partir de l'axe 0z vers le plan horizontal, s'appelle angle d'élévation et il est noté avec la lettre θ

Le gain et la directivité d’une antenne sont deux notions étroitement liées. On définit la directivité d’une antenne dans une direction de l’espace, par le ratio entre la densité de puissance rayonnée par l’antenne en cette direction, et la densité de puissance rayonnée par une antenne isotrope.  

D(θ,ϕ)U(θ,φ)Pant4π

Dans cette dernière formule, la signification des différents paramètres est la suivante :

  • U(θ,φ) est la densité de puissance rayonnée par l'antenne dans la direction de l'espace donnée par le couple d'angles (θ,φ)

  •  Pant4π est la densité de puissance rayonnée par une antenne isotrope dans la même direction de l'espace (θ,φ). On considère que cette antenne rayonne la même puissance totale Ptot que l'antenne mesurée.

 Qu'est-ce que c'est, une antenne isotrope ?

C’est une antenne qui rayonne à la même puissance dans toutes les directions de l’espace, comme représenté sur la figure suivante :

Rayonnement d'une antenne isotrope
Rayonnement d'une antenne isotrope

Le point rouge qui se trouve au centre de la sphère représente l'antenne isotrope. Si on mesure le rayonnement à la même distance par rapport à ce point, le niveau de puissance est le même dans toutes les directions de l'espace.  C’est surtout une antenne qui sert de référence, puisqu'en réalité, il est impossible d’avoir une antenne isotrope.

Revenons à la directivité : si, dans une direction, celle-ci est supérieure à l'unité, alors l’antenne rayonne plus qu’une antenne isotrope dans cette direction. Cela implique le fait que la puissance rayonnée par la même antenne sera inférieure à l'unité dans d’autres directions, puisque la puissance totale rayonnée est la même pour les deux antennes (celle en question et l’antenne isotrope).

Signification de la directivité
Signification de la directivité.

On peut définir le gain d'une antenne si on tient compte des différentes pertes engendrées par l’antenne : les pertes ohmiques, les pertes dans le substrat de l’antenne, etc.

G(θ,φ)U(θ,φ)Pemise4π=ηD(θ,φ)

Contrairement à la directivité qui était définie en fonction de la puissance délivrée à l’antenne, le gain est défini en fonction de la puissance émise par l’antenne.  η représente l’efficacité de l’antenne, et reflète les pertes engendrées par l’antenne. 

Comme évoqué dans la section précédente, généralement le gain d’une antenne est donné par son niveau relatif dBi :

(G(θ,φ))dbi=10log10G(θ,φ)

La façon dont la puissance est répartie dans l’espace est donnée par le diagramme de rayonnement d'une antenne. Un moyen de définir le diagramme de rayonnement est de diviser la puissance rayonnée par l’antenne dans différentes directions de l’espace 

P(θ,φ) par la puissance maximale Pmax :  

D(θ,φ)P(θ,φ)Pmax

Sur les deux figures qui suivent, deux exemples de diagrammes de rayonnement, une en 3D et une en 2D, sont illustrés.

Exemple de diagramme de rayonnement en trois dimmensions
Exemple de diagramme de rayonnement en trois dimensions.
Exemple de diagramme de rayonnement tracée en deux dimensions
Exemple de diagramme de rayonnement tracé en deux dimensions.

À partir de ce diagramme en 2D, on peut extraire des informations importantes sur la façon dont l’antenne rayonne autour d’elle. Par exemple, on peut définir l’ouverture à mi-puissance du lobe principal, qui est la plage angulaire dans laquelle la puissance rayonnée est supérieure à la moitié de la puissance rayonnée maximale.

Un autre paramètre important d'une antenne est son impédance d’entrée ( ZE). À une fréquence donnée, l’impédance est définie comme le ratio entre la tension et le courant à ses bornes.

Généralement, on peut dire que l’antenne est reliée au générateur par une ligne de transmission d’impédance caractéristique ZC (câble coaxial, guide d’onde, etc.). Si l’impédance de l’antenne n’est pas identique à l’impédance caractéristique de la ligne, alors la puissance transmise à l’antenne est inférieure à la puissance délivrée par le générateur.

Modulations numériques simples

Nous avons vu dans les sections précédentes le fait que le signal qui transporte l’information doit être adapté au canal de propagation, ce qui n’est pas le cas pour une communication radio. Au travers du processus de modulation, on va modifier les paramètres du signal porteur au rythme des données à transmettre.

Par ailleurs, le nombre des valeurs binaires véhiculé par le système de communication pendant une seconde représente le débit binaire, et il s’exprime en bits/sec. 

On emploie plusieurs types de modulations:

  • la modulation par commutation d’amplitude ou ASK, pour laquelle seule l’amplitude du signal porteur est modifiée suivant les données à transmettre.

Sur la figure suivante, vous pouvez remarquer l'évolution dans le temps d'un signal modulé ASK  :

L'allure d'un signal de type ASK (amplitude shift keying)
L'allure d'un signal de type ASK ("amplitude shift keying").
  •  la modulation de fréquence, ou FSK,  pour laquelle les valeurs binaires sont représentées par deux états de fréquence différentes ( f1 et f2>f1 ), comme vous pouvez le remarquer sur la figure suivante :

L'allure d'un signal de type FSK (
L'allure d'un signal de type FSK ("frequency shift keying").
  • la modulation de phase ou PSK. Dans ce cas, les valeurs binaires à transmettre modulent la phase du signal porteur ;. la fréquence et l’amplitude de la porteuse restant la même.

L'allure d'un signal de type PSK (
L'allure d'un signal de type PSK ("phase shift keying").

L’avantage des modulations simples réside dans leur simplicité de mise en œuvre. En revanche, elles ne permettent pas de transmettre un débit élevé de données. Pour des applications exigeantes, on va utiliser des modulations complexes, comme par exemple la modulation d’amplitude en quadrature, ou QAM (de "quadrature amplitude modulation"), pour laquelle on modifie l’amplitude de la porteuse et d’une version de la porteuse déphasée, de 90 degrés.  Le diagramme fonctionnel d'un émetteur capable de générer des signaux complexes (QAM, par exemple) est donné sur la figure suivante.

Schéma bloc d'un emmeteur de signaux QAM
Schéma bloc d'un émetteur de signaux QAM.

En entrée de l'amplificateur de puissance (qui se trouve avant l'antenne d'émission), le signal est de la forme :

s(t)=I(t)cos(ωOLt)+jQ(t)cos(ωOLt)

À titre d'exemple, sur la figure suivante vous pouvez visualiser l'allure temporelle de ces types de signaux :

L'allure temporelle des signaux en phase I(t), en quadrature Q(t) et de leur somme s(t)
L'allure temporelle des signaux en phase I(t), en quadrature Q(t), et de leur somme s(t).

Nous voilà à la fin de ce chapitre dédié à l'étude des notions et des principes couramment employés pour réaliser une communication sans fil autour d’un microcontrôleur. Le chapitre suivant vous aidera à comprendre les détails des différentes normes de communication employées pour transmettre une faible quantité de données entre deux objets connectés (microcontrôleurs).

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite