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Cours de FAISCEAUX HERTZIENS
LES FAISCEAUX HERTZIENS
I- LES GENERALITES
Les faisceaux hertziens, initialement conçus pour transmettre des multiplex téléphoniques ou des images analogiques, connaissent une évolution constante liée à la numérisation des supports de transmission ainsi qu'au traitement de l'information. Le FH s’appuie sur des équipements indoor et des équipements outdoor qui ne fonctionnent qu’ensemble. Le FH fonctionne en hyperfréquence (très élevées, plus de 2 Giga Hertz) selon l’usage et la distance à parcourir. Une autre forme de FH est la liaison satellite. Chaque lien doit faire l’objet d’une déclaration d’utilisation de fréquence auprès de l’ATCI 1-Présentation des faisceaux hertziens Un faisceau hertzien est une liaison radioélectrique point à point, bilatérale et permanente (full duplex), à ondes directives, offrant une liaison de bonne qualité et sûre permettant la transmission d'informations en mode multiplex à plus ou moins grande capacité, de 3 à 60 voies. Un faisceau hertzien est un système de transmission de signaux permettant l’interconnexion de sites distants utilisant les ondes radioélectriques. Ce type de liaisons radio point à point est aujourd'hui principalement numérique et est utilisé pour des liaisons voix et données. Il utilise comme support les ondes radioélectriques, avec des fréquences porteuses de 1 GHz à 40 GHz très fortement concentrées à l'aide d'antennes directives.
un faisceau hertzien est une liaison haute fréquence "point à point " destinée à véhiculer sur une porteuse harmonique un signal analogique ou un signal numérique, enfermé dans un ellipsoïde de Fresnel. hautes fréquences: ce sont les fréquences allant approximativement de 300 kHz
à 30 GHz point à point: signifie que le tir du faisceau est dirigé de l'émetteur ( fixe ou
mobile) vers un récepteur bien ciblé, en général fixe, contrairement au broadcasting qui "arrose" l'espace pour atteindre une infinité de récepteurs ( exemple: émetteur radio, TNT, WiFi ) - afin de concentrer ce tir, le dipôle émetteur est placé au foyer d'une parabole - afin d'augmenter sa sensibilité, le dipôle récepteur est lui aussi placé au foyer d'une parabole - afin de franchir certains obstacles naturels, arbres et reliefs, bâtiments, rotondité de la Terre sur les distances > 5 km ...les paraboles sont surélevées par
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rapport au sol à l'aide de mats métalliques, ou montées aux sommets de promontoires naturels l'ellipsoïde de Fresnel : zone de l'espace rejoignant le centre de l'émetteur au
centre du récepteur caractérisé par le fait(que l'ensemble des rayons quidétruisent se propagent à l'intérieur de son enveloppe en forme d'ellipsoïde) ne se pas mutuellement par interférence; le rendement en puissance transmise y est optimal. Ces ondes sont sensibles aux masquages (relief, végétation, bâtiments…), aux précipitations, aux conditions de réfractivité de l'atmosphère et présentent une sensibilité assez forte aux phénomènes de réflexion. Destinés à la mise en œuvre de réseaux de télécommunications les faisceaux hertziens numériques offrent de grandes capacités de débit et sont évolutifs en fonction des besoins de l’usager. Les faisceaux hertziens sont souvent complémentaires de réseaux de fibre optique pour assurer la continuité de certains points de raccordement ou sont utilisés pour redonder certaines liaisons cuivre tout en optimisant les coûts notamment par rapport à des liaisons louées. Le faisceau hertzien dispose de point d’accès à la norme G703 et Ethernet. Les débits vont de 2 à 155 Mbps. C'est le développement de la téléphonie, et en particulier l'incroyable phénomène "téléphone mobile" qui est à l'origine du développement spectaculaire des faisceaux hertziens. Ce procédé permet de transmettre des signaux d'information (téléphonie, télévision, etc.) d'un point à un autre du territoire. On utilisera dans les faisceaux hertziens des antennes suffisamment pourde faire l'analogieélevées. entre propagation des ondes et celle d'un faisceau lumineux,directives et des bandes fréquences Un faisceau hertzien transmet selon les cas : Des conversations téléphoniques groupées en un multiplex fréquentiel ou temporel Des programmes de télévision Des données 2- Structure d’un faisceau hertzien
Le faisceau hertzien est un système de type pseudo-4-fils fréquentiel car les deux sens de transmission sont portés communes aux deux sens.par des fréquences différentes. Les antennes sont généralement La structure générale d’une liaison hertzienne (analogique ou numérique) sous forme simplifiée est :
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Le schéma synoptique typique d'un faisceau hertzien
Signal R Entrant
Une liaison hertzienne comprend deux stations terminales et des stations relais ; elle est composée d’un ou plusieurs bonds. On appelle station terminale, toute station située à la fin d’une liaison hertzienne. On appelle stations relais, celles situées entre les stations terminales. On appelle bond hertzien, la distance séparant deux stations consécutives. Les conditions de propagation (distance, visibilité) obligent souvent à diviser une liaison en plusieurs bonds séparés des stations relais qui reçoivent le signal hyperfréquence ; l’amplifient et le remettent, généralement avec une autre porteuse, en direction de la station suivante. Dans des cas exceptionnels, des relais passifs (plan réflecteur) peuvent permettre de contourner un obstacle. 3-CARACTERISTIQUES Utilisation : Ce procédé permet de transmettre des signaux d'information (téléphonie,
télévision, etc.) d'un point à un autre du territoire: Liaison point à point. N’GUESSAN REMI
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Ils sont utilisés : En réseaux d’infrastructure • Téléphonie, • Diffusion d’émission de télévision En réseaux de desserte • Liaisons BTS - BSC en GSM • Boucle Locale Radio,
Ils sont aussi utilisés sur de : Grandes distances, # 50 km en liaison directe (Infrastructure téléphonique) éventuelle nécessité de relais : - passifs là où le relief est important (simples réflecteurs) - actifs le signal recueilli est remis en forme, amplifié, puis retransmis Courtes distances (liaisons "a vue") : • Infrastructure GSM • LS Débit Jusqu'àla155 Mbits/s. Portéethéorique : A débit :donné, portée se réduit lorsque la fréquence du FH augmente. En général,
les bandes de fréquences de 23 et 38 GHz sont utilisées pour des liaisons courtes distances (4 ou 5 km). Les bandes de fréquences de 4 et 13 GHz permettent d'atteindre des portées de quelques dizaines de kilomètres, voire 50 km en utilisant des antennes de grands diamètres. Bande de fréquences: De 1.5 GHz à 38 GHz. Pour les opérateurs de téléphonie mobile, 5 bandes de fréquences sont allouées pour leurs faisceaux hertziens : 6, 13, 18, 23 et 38 GHz. 4-FONCTIONNEMENT
Un faisceau hertzien est un système de transmission de signaux, numériques ou analogiques, entre deux directives. points fixes.LaIldirectivité utilise desdu ondes radioélectriques très grande fortement l'aide d'antennes faisceau et d'autant plus queconcentrées la longueur àd'onde utilisée est petite et que la surface de l'antenne émettrice est grande. Le faisceau est un support de type pseudo-4 fils. Les deux sens de transmission sont portés par des fréquences différentes. Pour des raisons de distance et de visibilité, le trajet hertzien entre l'émetteur et le récepteur est souvent découpé en plusieurs tronçons, appelés bonds, reliés par des stations relais qui reçoivent, amplifient et remettent le signal modulé vers la station suivante. 5- AVANTAGES / INCONVENIENTS Avantages
Installation facile et rapide. Matériel flexible et évolutif. Débits élevés. Faible interférence comparée aux réseaux hertziens classiques. Inconvénients Exploitation sous licences, sur certaines fréquences. Coûts des licences. Liaison sensible aux hydrométéores, notamment lors de fortes pluies. Distance/Débits 6-Le signal transmis
le signal: c'est l'information qui va se superposer, se combiner à la porteuse...
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il peut être analogique ( modulation d'amplitude ou de modulation de fréquence)... mais il est de plus en plus souvent numérique ( modulation de type MDP ou modulation MAQ ) un signal numérique est bien plus facile à crypter ( communications confidentielles ou classifiées) qu'un signal analogique, de plus sa de réception est bien meilleure faible puissance émise. de modulation Le qualité signal à transmettre est transposé en fréquenceà par modulation. L'opération transforme le signal, à l'origine en bande de base, en signal à bande étroite, dont le spectre se situe à l'intérieur de la bande passante du canal. Les modulations utilisées sont : à 4 ou 16 états (QPSK, 4 QAM, 16QAM…) pour les signaux PDH à 64 ou 128 états (64 QAM, 128 QAM…) pour les signaux SDH Le tableau suivant résume les largeurs de bande nécessaires en fonction des débits rencontrés dans le hertzien et le type de modulation utilisée : Norme
PDH
PDH
PDH
PDH
SDH
Débit 4 états 16 états 64 états 128 états
2x2 Mbit/s 3,5 Mhz 1,75MHz -
4x2 Mbit/s 7 MHz 3,5 Mhz -
8x2 Mbit/s 14 MHz 7 MHz -
16x2 Mbit/s 28 MHz 14 MHz -
155 Mbit/s 56MHz 28MHz
7- Spectre radio électrique
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8- Type de liaisons radioélectriques
Une Liaison radioélectrique est une communication bidirectionnelle entre 2 points en vue, chacun équipé d’un émetteur et d’un récepteur, généralement en visibilité. Exceptionnellement, une liaison peut s’établir en : utilisant la réflexion et la diffusion par l’ionosphère (haute atmosphère, 70 à 1000 km d’altitude) dans la bande des ondes courtes (3 à 25 MHz) On obtient une liaison transhorizon de très longue portée, mais de faible capacité
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Une liaison peut s’établir en visibilité directe entre plusieurs stations placées sur des points hauts.
Les sens de transmission des paraboles FH
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RESUME
Les faisceaux hertziens, compte tenu des fréquences utilisées et de la directivité de la liaison, nécessitent avant toute liaison, d'effectuer un calcul pour déterminer la faisabilité, l'affaiblissement de la liaison et la puissance d'émission à utiliser. On prendonendétermine considération le profil du terrain sur lede trajet de la liaison, on trace Fresnel, l'affaiblissement en fonction la présence d'obstacles oul'ellipsoïde pas, on de cumule les gains des antennes, les pertes dans les câbles coaxiaux et la perte liée à la distance et l'on compare le résultat à la sensibilité du récepteur. L'avantage de la rapidité de mise en œuvre des FH par rapport au câble présente les inconvénients des moyens radio : - détectables, - localisables, - écoutes possibles, Seul le chiffrement de jonction permettra d'atteindre un degré de confidentialité acceptable. Avec l'évolution des technologies et le développement des matériels civils et grand public en VHF, UHF et hyperfréquences, les anciens matériels deviennent de plus en plus difficiles à utiliser compte tenu de la raréfaction des fréquences REFERENCES Topologie: Point à point. Type de liaison:Liaison Sans fil. Mode de propagation: Micro-ondes. OBSERVATIONS
Le déploiement des liaisons FH obéit à des règles très précises d’ingénierie) imposées par le cahier des charges d'une part et par les règles du CIR d'autre part. le bilan de la liaison doit être calculé en tenant compte des paramètres suivants: Distance, situation (altitude, climat, environnement radioélectrique), puissance isotrope rayonnée équivalente, topologie du réseau (maillage, point à point). De plus, les équipements et installateurs doivent être agréés par l’AT CI. Une demande de licence doit être effectuée et la redevance dépend de la fréquence utilisée.
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II- LE PLAN DE FREQUENCE
La transmission de grandes capacités nécessite l’utilisation de larges bandes passantes obtenues par modulation en fréquence de porteuses de fréquences extrêmement élevées (2 à 40 GHz). Il faut donc exploiter judicieusement le spectre des fréquences afin de l’optimiser. Dans ce sens le C.C.I.R a précisé les méthodes d’utilisation des bandes de fréquence en publiant des plans de fréquences. 1- Domaine de fonctionnement des Faisceaux hertziens
Le spectre des micro-ondes est défini approximativement pour la plage de fréquences de 0,3 à 1000 gigahertz. Pour une fréquence d'utilisation entre 1 GHz et 100 GHz, on emploie en général le terme d'hyperfréquences , la plupart des applications communes utilisant la gamme de 1 à 40 gigahertz. La gamme hyperfréquence est découpée en différentes bandes, en fonction des différentes applications techniques : Bandes de fréquence micro-ondes Désignation Gamme de fréquences Gamme de longueur d'onde
Bande L Bande S Bande C Bande X Bande Ku Bande K Bande Ka Bande Q Bande U Bande V Bande W
de 1 à 2 GHz de 2 à 4 GHz de 4 à 8 GHz de 8 à 12 GHz de 12 à 18 GHz de 18 à 26 GHz de 26 à 40 GHz de 30 à 50 GHz de 40 à 60 GHz de 46 à 56 GHz de 56 à 100 GHz
30 à 15 cm 15 à 7,5 cm 7,5 à 3,75 cm 3,75 à 2,5 cm 2,5 à 1,6 cm 16,6 à 11,5 mm 11,5 à 7,5 mm 10 à 6 mm 7,5 à 5 mm 6,5 à 5,3 mm 5,3 à 3 mm
La porteuse: c'est une onde électromagnétique entretenue dans le temps de l'émission C’est elle qui est caractérisée par la fréquence:
En UHF VHF de cette de 30 à 300 MHz En 300fréquence MHz à 3va GHz En SHF de 3 à 30GHz En EHF (ondes millimétriques) de 30 à 300 GHz ...( typiquement de 37,5 à 40 et de 50 à 60 à GHz pour les FH militaires)
2-Etablissement des plans de fréquences
a- Généralité Il convient d’optimiser l’utilisation du spectre radioélectrique, c’est - dire de trouver des méthodes qui permettent de transmettre le maximum de signaux sur un trajet donné, avec la bande la plus étroite possible et des brouillages acceptables. L’encombrement spectral des
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signaux émis et le nombre important de liaisons établies dans les pays à forte densité de population rend ce problème fondamental. Aussi, après de nombreuses études techniques, et dans un but de rationalisation globale des réseaux, le CCIR a précisé les méthodes d’utilisation des bandes de fréquences en publiant des plans de fréquences. b- Fréquences nécessaires à la transmission bilatérale d’un signal Il faut nécessairement deux fréquences différentes pour transmettre bilatéralement un signal sur un trajet donné ; cela évite les brouillages. Du fait des brouillages possibles entre deux sens de transmission, les deux fréquences porteuses doivent être acheminées selon le schéma suivant :
Brouillage 1 : Le niveau fort F1 perturbe la réception du niveau faible F2 (filtrage insuffisant) Brouillage 2 : Le niveau fort F1 perturbe la réception du niveau faible F1 (lobe arrière de l'antenne) Brouillage 3 : Le niveau faible F1 perturbe la réception du niveau faible F1 (résistance aux brouilleurs co-canal)
En effet, dans une station relais, le signal est reçu à une puissance extrêmement faible qui peut descendre jusqu’à 10-12 W et réémis à une puissance de l’ordre du watt. Dans ces conditions, le moindre couplage entre les antennes situées sur le même support provoque des brouillages inadmissibles. On constate que l’emploi d’antennes très directives permet de n’utiliser que deux fréquences porteuses pour la transmission bilatérale d’un signal. Dans chaque station, il y a croisement de fréquences entre les deux sens de transmission. Cette solution est excellente sur le plan de l’encombrement spectral mais est relativement onéreuse puisqu’elle nécessite l’emploi d’antennes très directives, donc d’antennes chères. 3- Transmission simultanée de plusieurs signaux (canaux) a- Espacement minimal de canaux adjacents
Pour augmenter la capacité des systèmes de transmission par FH, on regroupe sur un même trajet la transmission de plusieurs signaux de même pièce à des fréquences voisines. On appelle canal bilatéral, le couple de fréquence permettant la transmission bilatérale d’un signal donné. La réalisation de FH à plusieurs canaux s’effectue en tenant compte de l’impératif d’optimisation de l’utilisation du spectre. On veille à ce que les porteuses véhiculant les signaux soient les plus rapprochées possible, l’espacement minimal dépendant N’GUESSAN REMI
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de la largeur du spectre de l’onde modulée, des possibilités de filtrage et de la sensibilité des signaux aux brouillages. Pour améliorer les découplages et minimiser les brouillages, on alterne les polarisations de l’onde modulée (polarisation verticale et polarisation horizontale)
Emploi d'antennes très directives et ayant des lobes latéraux suffisamment bas. D’où Utilisation de 2 canaux différents pour la transmission bilatérale d'un signal. b- Demi bandes
Pour éviter tout danger de brouillage d’émission sur réception par couplage dans une même station, on regroupe toutes les fréquences servant à l’émission dans une station et toutescelles servant à la réception et à éloigner ces deux groupes de telle façon qu’ils puissent être séparés par filtrage . On obtient des configurations de ce type dans une station donnée :
Canal N° 1 N°2
Fréquence d’émission
Fréquence de réception
F1 F2
F’1 F’2
N°3
F3
F’3
-Grouper dans chaque station, d'une part tous les canaux servant à l'émission et d'autre part ceux servant à la réception. -Eloigner 2 groupes pourguides qu'ils d'ondes puissentpar êtrestation. séparés par filtrage. -Il faut uneces antenne et deux Avec alternance des polarisations verticale et horizontale
Chaque guide d'onde n'achemine qu'un seul sens de transmission .Il faut 2 antennes et 4 guides d'onde par station et par direction. N’GUESSAN REMI
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Ainsi nous avons :
Les fréquences F1, F2, F3……. Fn constituent la demi bande basse Les fréquences F’1, F’2, F’3…….. F’n constituent la demi bande haute
Chaque émet dans une demi bande et reçoit dans l’autre demi bande. A la station suivante,station la situation est inversée.
Station relais
NB : Pour les FH de grandes capacités et de haute qualité, il est indispensable d’employer des polarisations différentes pour les fréquences d’émission et de réception. Géographiquement la situation se présente de la façon suivante :
Emission : 1/2 Bande basse Réception : 1/2 Bande haute
A
B
C
Emission : 1/2 Bande haute dans les 2 sens Réception : 1/2 Bande basse dans les 2 sens
Emission : 1/2 Bande basse Réception : 1/2 Bande haute
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c- Choix précis des fréquences porteuses
Dans le domaine des faisceaux hertzien , seules certaines bandes de fréquences bien définies ont aux faisceaux hertziens La partie inférieure domaine n'offre que été desattribuées bandes relativement étroites et ne terrestres. convient qu'à des systèmes dedu faible capacité. La plupart des faisceaux hertziens se situent au-dessus de 1.7 GHz. Toutefois, à partir de 12 GHz, l'absorption due à la pluie conduit à un affaiblissement croissant. Ce domaine ne convient pratiquement qu'à des faisceaux numériques. Par convention internationale (UIT-R), les bandes attribuées ont été divisées en canaux radioélectriques adjacents. Le choix des canaux pour les deux sens de transmission de chaque bond de faisceau hertzien dans un réseau dense (plan de fréquences) est une opération délicate qui doit tenir compte : ·Des couplages parasites possibles entre antennes situées sur le même support ; .D'interférences entre faisceaux voisins dues à l'imparfaite directivité des antennes ; · De la sélectivité des récepteurs ; · De la possibilité d'alterner les polarisations (horizontale ou verticale) dans des canaux adjacents; -Et d'un souci d'utilisation optimale du domaine fréquentiel disponible L’examen desadjacents possibilités de filtrage entre canaux permet de calculer l’espacement minimum entre canaux compte tenu des brouillages admissibles. Le choix des valeurs précises des fréquences porteuses nécessite la prise en considération d’autres contraintes qui sont : • Possibilité de filtrage entre canaux • Les niveaux des porteuses ne doivent pas provoquer des inter modulation • Eviter le gaspillage du spectre par un choix judicieux des fréquences porteuses
Planification d'un réseau hertzien
- Choix des fréquences porteuses - Calcul des affaiblissements - Calcul des brouillages entre faisceaux
Choix des fréquences porteuses
L'attribution des fréquences est faite à deux niveaux : Au niveau international: le CCIR (Comité consultatif international pour les radiocommunications) édicte un RR (Règlement des Radiocommunications). Les principales bandes réservées sont en GHz: 2,1 - 2,3 3,8 - 4,2 5,9 - 6,4 6,4 - 7,1 7,1 - 7,7 8,0 - 8,5 10,7 - 11,7 12,75 - 13,25 14,4 - 15,35 17,7 - 19,7 20 - 40 Au niveau national: chaque pays assigne les différentes bandes aux différents utilisateurs
(Télécom, Armée, Télévision)
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d- Indice d’occupation spectrale d’un plan de fréquences
Pour évaluer l’efficacité d’un plan de fréquence en termes d’encombrement spectral, on définit l’indice d’occupation spectrale comme le rapport : i = B/4n où B (Khz) est la largeur de bande totale du plan de fréquences et n le nombre de voies téléphoniques bilatérales de 4 Khz qu’il est possible de transmettre en utilisant ce plan de fréquence.
Bande 3,8- 4,2 Ghz 3,8-4,2 5,9- 6,4 6,4- 7,1 12,75- 13,25
Capacité par canal 960 voies analogiques 1260 1800 2700 720 voies numériques
Nombre de canaux 6
Indice d’occupation 17,5
6 8 8 6
13,3 8,7 8,1 29
e- Exemple de plan de fréquences Les Fréquences des FH du Réseau Téléphonique (Liaisons à Grande Distance) La Bande 6 GHz :
Numéro du Canal
Fréquence de la demibande basse
Fréquence de la demibande haute
1
5945,20 MHz
6197,24 MHz
2
5974,85 MHz
6226,89 MHz
3
6004,50 MHz
6256,54 MHz
4
6034,15 MHz
6286,19 MHz
5
6063,80 MHz
6315,84 MHz
6
6093,45 MHz
6345,49 MHz
7 8
6123,10 MHz 6152,75 MHz
6375,14 MHz 6404,79 MHz
La Bande 11 GHz :
Numéro du Canal
Fréquence de la demibande basse
Fréquence de la demibande haute
1
10735 MHz
11245 MHz
2
10795 MHz
11305 MHz
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3
10855 MHz
11365 MHz
4
10915 MHz
11425 MHz
5
10975 MHz
11485 MHz
6 7
11035 MHz 11095 MHz
11545 MHz 11605 MHz
8
11155 MHz
11665 MHz
EXERCICES 1-Bande 5,9-6,4 Ghz
Conformément à l’avis 383-1 du CCIR, cette bande est utilisée pour la téléphonie analogique à 1800 voies par canal. Avec un indice de modulation assez faible, la bande de Carson d’un canal modulé vaut 23,4MHz. Le croissement des polarisations entre canaux adjacents permet un espacement des porteuses à peine supérieur à la bande de Carson : on a choisi 29,65 MHz. L’écart entre lahaute porteuse la 44,5 plus élevée demi-bande basse pour et la éviter porteuse plus basse de la demi-bande est de MHz : de cetlaécart est nécessaire leslaperturbations des fréquences d’émission sur réception en local. Les polarisations des fréquences de même rang sont inversées en demi-bande haute par rapport à la demi-bande basse : l’émission et réception d’un canal donné se font sur des guides différents, et il est donc nécessaire d’avoir deux antennes par station et par direction. Etant donné que la bande allouée à ce type de faisceaux hertziens est de 500 MHz, le plan de fréquences adopté permet la réalisation de 8 canaux bilatéraux. Les fréquences porteuses sont données par : Demi bande inférieure Fn= F0-259,45+29,65n • Demi bande supérieure F’n= F0-7,41+29,65n Avec F0 =6175 Mhz, n est le rang du • canal concerné. Déterminer le plan de fréquences de cette bande et représenter le. 2-Bande 12,75 -13,25 Ghz
Cette bande est utilisée pour transmettre 720 voies numériques par canal, ce qui correspond à un débit de 52 Mbps. En modulation par déplacement de phase à quatre états, pour un débit de 52 Mbps , la bande de Nyquist d’un canal vaut 26 MHz. Pour éviter les brouillages on a choisi un écartement entre porteuses adjacentes de 35 MHz, et deux porteuses voisines sont évidemment émises sur des polarisations croisées.
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Deux porteuses de même rang en demi-bande haute et en demi-bande basse fonctionnent sur la même polarisation sur un bond donné. Une antenne suffit donc par station et par direction, et, pour un canal donné, émission et réception se font sur le même guide d’ondes. L’écart entre la porteuse la plus haute de la demi-bande basse et la porteuse la plus basse de la demi-bande haute est de 105 MHz. Cet écart relativement important s’explique par le fait que les brouillages d’émission sur réception se sont difficiles à maîtriser en technique numérique, à cause de la largeur des spectres desavérés signaux. Dans la bande allouée, ce plan de fréquences permet 6 canaux bilatéraux. Les fréquences porteuses sont données par : • Demi bande inférieure Fn= F0-262,5+35n • Demi bande supérieure F’n= F0+17,5+35n Avec F0 =12999,5Mhz, n est le rang du canal concerné. Déterminer le plan de fréquences de cette bande et représenter le.
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Pour établir un plan de fréquence sur une région,
Il faut : – Une carte de la région assez précise (IGN) – Une base de données de sursol (précision à 25m ou 5m si possible) – Les coordonnées des sites à relier en FH au format imposé • X Longitude : distance vers l’Est / Greenwich • Y Latitude : distance vers le Nord / Greenwich • Z Hauteur d’antenne : distance depuis le niveau absolu de la Mer • Ces coordonnées peuvent être en WGS84, RG93 (Lambert II) ou autre – Les canaux de fréquences utilisables (canaux Arcep dédiés) – Le taux d’indisponibilité tolérée par année d’exercice (28min ou 5.10-6) – La tolérance d’erreur exigée (en proportion de : 10-3, 10-6, 10-9…) – Les informations sur le matériel à déployer : antennes & ODU (celles-ci sont toujours données par le fournisseur) – Une bon progiciel d’étude de profil HF relié aux bases de coordonnées, de sursol et des équipements (SportFH, Planet).
III- PROPAGATION EN ESPACE LIBRE
Le présent paragraphe met en exergue la description des différentes irrégularités du milieu de transmission qui peuvent être à la base des atténuations du signal émis par la station émettrice vers le récepteur. Les ondes se propagent à la vitesse de la lumière et cette propagation est un transfert d'énergie sans transfert de matière, résultant de l'évolution dans le temps de la distribution spatiale d'un champ dans le milieu où se produit ce transfert. On distingue: - La propagation en visibilité
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Cette propagation concerne des liaisons pour lesquelles la propagation est de type "optique" ou quasi optique. Ces liaisons utilisent des fréquences élevées dans le domaine des ondes centimétriques ou millimétriques. Bien que l'émetteur et le récepteur soient en visibilité l'un par rapport à l'autre, des perturbations, induites par la présence du sol ou de l'atmosphère peuvent intervenir. Deux grandes familles de liaisons appartiennent à cette classe : . Les liaisons sol-sol, de type faisceaux Hertziens. . Les liaisons sol-espace, utilisées par les systèmes de transmissions par satellites - La propagation en non visibilité Elle concerne des liaisons pour lesquelles un obstacle est interposé entre l'émetteur et le récepteur. Le signal émis va alors se propager grâce à différents phénomènes dont : - La diffraction qui se produit lorsque la ligne de visée (Line of Sight:LOS) entre l'émetteur et le récepteur est obstruée par un obstacle opaque dont les dimensions sont plus grandes que la longueur d'onde du signal émis. - La réflexion qui se produit lorsque l'onde émise rencontre un obstacle dont les dimensions sont très largement supérieures à la longueur d'onde. Ce phénomène peut avoir, pour effet, une augmentation ou une diminution du niveau du signal reçu. Lorsqu'il y a un grand nombre de réflexions le niveau du signal reçu peut devenir instable. - La transmission qui se produit lorsque l'obstacle est en partie "transparent" vis à vis de l'onde émise - La réfraction qui provient du fait que la variation de l'indice atmosphérique entraîne une propagation "courbée" de l'onde émise. Entre un émetteur et un récepteur situés à la surface de la terre, les ondes peuvent se propager de trois façons : · à la surface de la terre (onde de sol) · dans la basse atmosphère (onde directe) · par réflexion sur l'ionosphère (onde d'espace) Pour les ondes hertziennes (métriques et centimétriques) seul le second type de propagation est possible. Pour l'étudier, il faudra tenir compte des caractéristiques électriques du sol et de la basse atmosphère. En effet, la basse atmosphère produit des phénomènes de réfraction et d'atténuation sur la propagation des ondes, tandis que l'influence du sol peut se manifester par des phénomènes de réflexion et de diffraction . 1- Généralités
Le milieu de propagation de l’onde électromagnétique influe sur la qualité de la liaison hertzienne. Si l’on n’y prend garde, ce milieu peut considérablement détériorer ou même annuler la qualité d’une liaison hertzienne.
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L’espace compris entre deux antennes est libre quand il est totalement dégagé de tout obstacle matériel : la propagation s’y fait sans aucune perturbation atmosphérique, environnementale ou autre ; Les deux antennes étant considérées comme existant seules dans l’atmosphère. Par contre, un bond en visibilité est un bond qui, malgré l’absence d’obstacle entre ses deux antennes, se trouve influencé par les conditions atmosphériques et le voisinage de la terre . 2-Les conditions de propagation
La propagation d’une onde électromagnétique en visibilité directe est tributaire : • Des propriétés du milieu de propagation • Des propriétés de la frontière du milieu de propagation
Dans ce type de propagation, il faut prendre en compte l’influence de l’atmosphère et de la terre. a- Influence de l’atmosphère Les Couches de l'atmosphère
L'atmosphère est composée des couches suivantes : Troposphère La troposphère est la couche qui est en contact avec le sol; elle s'étend jusqu'à 10 km d'altitude et est le siège des phénomènes climatiques. Stratosphère La stratosphère s'étend de 10 à 40 km d'altitude; elle intervient peu dans la propagation des ondes. Ionosphère L'ionosphère s'étend de 40 à 1000 km d'altitude; elle est exposée au rayonnementdessolaire ainsi qu'aux rayons cosmiques etdes auxélectrons météorites provoquent l'ionisation molécules, c'est-à-dire l'arrachement des qui couches extérieures de la molécule; les particules chargées négativement (électrons) et positivement (ions) ont tendance à se concentrer en couches ionisées qui vont jouer un rôle très important dans la propagation des ondes, principalement des ondes HF. Exosphère L'exosphère est la couche ultime de l'atmosphère; on connaît mal ses propriétés et l'on ignore sa limite. Elle joue peu de rôle en communications radio. Types de propagation
Entre une antenne d'émission et une antenne de réception, situées au voisinage de la terre, une onde électromagnétique peut suivre quatre trajets différents.
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Propagation superficielle
Encore appelée onde de sol. La composante horizontale de E interagit avec le sol, générant des pertes. Seule reste la composante verticale de E (on parle de polarisation verticale). Les pertes dues à l'interaction de l'onde avec le sol sont d'autant plus élevées que la fréquence est élevée et que la conductivité du sol est faible; pour cette raison, la portée des transmissions parles ondes de courtes surface et estultracourtes. élevée pour les ondes longues et moyennes, mais faible pour ondes Propagation ionosphérique
Les couches ionisées de la ionosphère se comportent comme un véritable miroir pour les ondes EM. On constate des zones d'ombre dans lesquelles aucune réception n'est possible. A partir d'une fréquence critique, les ondes EM ne sont plus réfléchies et s'échappent de l'atmosphère. Les ondes courtes se propagent principalement de cette manière. Avantages En choisissant convenablement la puissance, le type d'antenne et la fréquence, on peut atteindre pratiquement n'importe quel point de la terre. Désavantages Ce mode de propagation est peu fiable. Conditions réelles de propagation
Les faisceaux hertziens se propagent dans la troposphère, couche atmosphérique fortement perturbée par les conditions météorologiques (humidité, pluie, neige, nuages, ..). La propagation des ondes EM aux fréquences utilisées pour les faisceaux hertziens est donc fortement dépendante du climat et aussi de la topographie. Plusieurs phénomènes physiques entrent en considération. La réfraction atmosphérique
La décroissance de l’indice de réfraction avec l’altitude a pour conséquence de courber le faisceau en direction du sol, ce qui adapte mieux la transmission à la courbure terrestre et augmente la porté du faisceau.
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La direction de propagation est déviée vers l'indice le plus grand, c'est à dire vers le sol. Les ondes se propagent donc avec une courbure dans le même sens que la courbure terrestre. On introduit un rayon de courbure terrestre fictif R' : rayon de courbure terrestre fictif avec R = 6370 km = rayon terrestre normal La Figure illustre cette différence apparente de rayon terrestre.
Le coefficient 4/3 est valable pour les climats tempérés comme en Europe centrale. Il y a réfraction quand un rayon électromagnétique passe d’un milieu dans un autre, d’indice de réfraction différent en changeant de direction. Soit le schéma ci-dessous où le rayon électromagnétique subit une réfraction au point P du fait des indices de réfraction n 0 ≠ n des milieux 1&2.
Selon la loi de Descartes nous avons : n0 cosφ0= n cosφ
Pour tenir compte de la variation continue de l’indice de réfraction n, dérivons cette d n d ϕ − n sin ϕ + cos ϕ = expression par rapport à la trajectoire S . On a d s d s
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0⇒
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n sin ϕ
d ϕ d s
= cos ϕ
d n d s
Remarquons que n≠1 à 10-3 près ; cos≠1, les rayons électromagnétiques étant quasiment horizontaux. Il reste : donc
sin ϕ
d n d h
sin ϕ d ϕ = d n mais sin ϕ = d h ⇒ d s = d h et d s d s d s sin ϕ
= sin ϕ
d ϕ d s
⇒
d n d h
=
d ϕ d s
= σ
La courbure du rayon électromagnétique par rapport à la terre est : σ =
d n d h
=
d ϕ d s
Cas particuliers
Si
Si
Si
d n d h d n
= 0 : La trajectoire des rayons électromagnétiques est rectiligne. f
0 : Il y a incurvation positive des rayons électromagnétiques
p
0 : Il y a incurvation négative des rayons électromagnétiques
d h d n d h
.La terre fictive : calcul de K
En technique de FH, il n’est pas possible de réaliser une liaison hertzienne en suivant la courbure des rayons électromagnétiques. On contourne la difficulté en reportant (par les calculs ) la courbure des rayons électromagnétiques sur celle 1/R 0 de la terre(R0 étant le rayon de la terre). La courbure des rayons électromagnétiques ainsi modifiée s’écrit d 1 = + n .Ce faisant, tout se passe comme si on avait multiplié le rayon R 0 d h
∑
terrestre R0 par un coefficient K, transformant ainsi le globe terrestre en une terre fictive d n 1 1 1 = + = = de rayon R=KR0. On écrit : Soit R 0 d h R KR 0
∑
d d K + KR 0 n = 1 ⇒ K 1 + R 0 n = 1 et d h d h
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1
K =
1+
d n d h
R 0
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On appelle atmosphère de gradient normal ou atmosphère normale, une atmosphère sphérique d n − 0 , 25 = = − 3 , 92 . 10 − 5 / Km . En de gradient vertical constant de valeur d h R 0
4 remplaçant R0 =6370 Km et d h par leurs valeurs, on trouve K = 3 . L’atmosphère de 4 gradient normal est donc caractérisée par K = . et 3 d n
σ =
d n d h
= − 3 , 92 . 10
−5
/ Km avec R0 =6370 Km.
Si K>1 alors R> R0. Il y a abaissement apparent des obstacles situés sur le trajet du FH, on dit qu’il y a Supraréfraction. Si K<1 alors R< R0 et il y a relévement apparent des obstacles situés sur le trajet du FH, on dit qu’il y a Infraréfraction . La variation apparente de la hauteur d’un obstacle situé aux distance d 1 et d2 des extrémités d’une liaison hertzienne est donnée par : d h =
d h =
d 1 d 2 1
2
1 − ou R R 0
d 1 d 2 1 − K
2 R 0 K La réflexion
Certaines surfaces sont particulièrement réfléchissantes compte tenu d'un angle d'incidence proche de 90° (plans d'eau, champs de neige, ..). Les coefficients de réflexion de la polarisation parallèle et perpendiculaire à la surface tendent vers −1. Comme pour la diffraction. Il y a addition d'une onde directe et d'une onde réfléchie:
Comme lespas chemins directs et réfléchis ont despour longueurs variables à causeconstructive. de la réfraction, on ne peut adapter la hauteur des antennes produire une addition Règle On évite d'avoir une surface réfléchissante dans la première zone de Fresnel entourant le point de réflexion géométrique. Cette zone est le lieu des points dont la somme des distances aux antennes d'émission et de réception dépasse de moins d'une demi-longueur d'onde le trajet correspondant à la réflexion géométrique. Elle peut avoir plusieurs kilomètres dans de sens de la transmission.
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Les évanouissements (fading)
Les évanouissements sont dus aux trajets multiples (multiple paths) provenant de réflexions sur des couches d'air à forte variation de densité ou sur d'autres objets réfléchissants imprévisibles. Les évanouissements dépendent de la saison et du temps. On a déterminé expérimentalement une probabilité P d'avoir un évanouissement dont la profondeur (affaiblissement maximum pendant l'évanouissement) dépasse une valeur donnée A : 10⋅log(P) = 35⋅log(L) − A + 10⋅log(f) + K (53) avec L = longueur du faisceau en km A = profondeur maximum de l'évanouissement en dB f = fréquence en GHz K = −78,5 pour le mois le plus mauvais, K = −85,5 pour une moyenne annuelle. L'expression de P est valable si A > 15 dB et L > 20 km. On constate que les fréquences élevées sont défavorisées et que cette probabilité croît avec la longueur du bond, ce qui limite très rapidement la longueur d'un faisceau hertzien. On connaît encore la valeur de l'évanouissement A qui n'est dépassé que pendant le 20% du temps du mois le plus défavorisé :
avec A = profondeur f = fréquence en GHzd’évanouissement en dB L = longueur du bond en km Techniques contre les évanouissements
Plusieurs techniques sont utilisées contre les évanouissements: - limiter la longueur des bonds - la diversité en fréquence: on transmet sur le même faisceau deux porteuses avec des Fréquences différentes f p1 et f p2, avec un écart minimum. - la diversité d'espace: on utilise deux antennes de réception, espacées d'une différence de hauteur ∆h > 150⋅λ - une combinaison des deux techniques de diversité (voir courbe du CCIR en annexe). L'absorption:
L'absorption due à l'oxygène et à la vapeur d'eau augmente avec la fréquence. Pour les fréquences inférieures à 15 GHz, on peut la négliger. Pour une fréquence de 20 GHz, l'affaiblissement est d'environ 0,1 dB/km. Au delà de 20 GHz, l'absorption croît rapidement car la molécule d'eau a une raie de résonance à 22,23 GHz. Actuellement la plage de fréquence utilisable pour les faisceaux hertziens se limite donc à 21 GHz. Au voisinage de 35 GHz on retrouve une plage où l'absorption est acceptable. Les précipitations (pluie, neige, grêle) atténuent également l'onde par dispersion. On en tient compte surtout à partir de 10 GHz. Exemple
Soient les paramètres suivants : f=10 GHz L=50 km K= −78.5 a) Donner la probabilité d'avoir un évanouissement plus grand que 20 dB (Réponse: 0.125%) N’GUESSAN REMI
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b) Lors du mois le plus défavorisé, donner la valeur de l'évanouissement qui n'est dépassé que pendant le 20% du temps (Réponse: A=4.5 dB).
b- Influence de la terre : zone de fresnel Lorsqu'un faisceau d'ondes est émis par une antenne de gain élevé, l'énergie électromagnétique se répartie essentiellement dans le lobe de diffraction central de cette antenne. Lors de leur parcours spatial, ces ondes parcourent théoriquement un chemin rectiligne: le rayon central, qui est aussi axe de symétrie du lobe. Cependant, pour des raisons liées aux différents milieux effectivement rencontrés, qui ne sont pas toujours homogènes, ou qui contiennent des particules déviant le trajet théorique, ces ondes peuvent être soumises à une variété de trajets aléatoires ( ondes secondaires) créant des retards à la propagation. L'énergie reçue par l'antenne de réception est donc majoritairement portée par le rayon central, à laquelle s'ajoute l'énergie des rayons secondaires. Il peut arriver que selon la longueur des trajets suivis, ces ondes secondaires se somment ou au contraire se neutralisent avec l'onde centrale ceci est du au phénomène d'interférence Lorsque deux ondes de même fréquence et émises en même temps d'un point E suivent des trajets de chemins optiques différents, elles interfèrent avec plus ou moins de bonheur. Leurs énergies peuvent soit se superposer soit se neutralise .
• Diffraction
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Zones de Fresnel
r n =
nλ d 1d 2 d 1 + d 2
Zones de Fresnel
Diffraction
Ellipso Ellipso ï de de de Fresnel
Ensemble des points correspondant à un même déphasage
Ainsi, la présence d’une obstruction (montagne, immeuble,…) peut s’assimiler à la suppression de la contribution d’une partie de l’énergie associée aux différentes zones de Fresnel. L’obstruction sera assimilée à un plan perpendiculaire à la direction de propagation, de dimension infinie en profondeur, et à hauteur finie.
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• Calcul de la hauteur sous trajet
Dans ce calcul le grand axe ER: fixé par la distance d entre les antennes ER = d en plaçant M sur le petit axe on calcule la dimension de celui-ci:
demi- petit axe h : fourni par le théorème de Pythagore h² = (EMR/2)² - (d/2)² avec EMR = d + λ / 2 on obtient ... EMR² = d² + λ .d + λ ² / 4 soit encore en négligeant λ ² / 4 qui est très inférieur à λ .d: EMR ² = d² + λ .d et donc h² = 1/4 λ .d finalement on obtient: h = 1/2 . rac (λ .d)
Dans ce calcul le grand axe ER: fixé par la distance d 1 et d2 entre les antennes ER = d1+ d2
La formule s'applique si le premier ellipsoïde de Fresnel est dégagé.
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Pour tout ellipsoïde de rang n on a :
n λ d 1 d 2
r =
d 1 + d 2
n
• Calcul de la hauteur d’une tour hertzienne Rotondité de la terre
Dans ce calcul, on suppose que le 1er ellipsoide de fresnel rase la terre en son milieu P. Selon le théorème de PYTHAGORE appliquéau triangle OPR on a :
2
2
( R 0 + H ) = ( R 0 + r ) + ( 2
2
R 0 + 2 R 0 H + H 2
d 2
4
)
2
2
d 2
= R 0 + 2 R 0 r + r + 4 2
2 R 0 H + H = 2 R 0 r + r +
d 2
H ( 2 R 0 + H ) = r ( 2 R 0 + r ) +
4
d 2
4
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Sachant que H >>2R0 et r >> 2R0 ,
d 2
H = r +
2 R 0 H = 2 rR 0 +
d 2
4
On a
et en tenant compte du coefficient K on a :
8 R 0 H = r +
d 2
8 KR 0
Nous avons : • r est le rayon de l’ellipsoïde de FRESNEL
d 2 •
8 KR 0
est la rotondité de la terre
Utilité du calcul de les dimensions de l'ellipsoïde: Si le FH est tiré au dessus d'une zone d'obstacles ( végétation, constructions ...) il est préférable de "dégager" l'ellipsoïde de Fresnel en surélevant les antennes...ainsi l'antenne de réception recevra un maximum d'énergie.
Exemple: on tire un FH de 6 GHz sur une distance de 5 km sur le trajet est située une forêt d'arbres de hauteur moyenne ho = 20m on cherche à calculer la hauteur H des antennes permettant le passage du premier ellipsoïde de Fresnel.
Tir en visibilité: implantation relevée
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Le relèvement du profil "Terre plate + obstacle" se fait suivant la figure ci-dessous:
Compte tenu de l'élévation des promontoires naturels de l’émetteur E et du récepteur R on a les hauteurs: Hauteur de E : He = H – h0 Hauteur de R : Hr = H - h 0 • Règles de dégagement
La qualité d’une liaison hertzienne dépend du dégagement de son trajet. On procédera donc au dégagement qui convient à la qualité recherchée.
Dans tous les cas, il faut dégager le 1 er ellipsoïde de Fresnel Règle sévère, donc recherche d’une grande qualité : K=2/3 et F n / F1=0,6 Règle moins sévère, mais recherche d’une qualité moyenne : K=4/3 et Fn / F1=1
• Contrôle de dégagement
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λ d 1 d
r 1 =
2
d d i ( d − d i )
d i n
e
r
r = H + ( H − H
e
i
) d − H − 12 , 74 K
Avec He : Hauteur de pylône d’émission Hr : Hauteur de pylône de réception di : distance séparant l’obstacle et l’émetteur ou le récepteur d : distance entre émetteur et le récepteur Hi : hauteur de l’obstacle à la distance di Il faut faire le rapport :
r n r n
≥ 0 , 6 Le bond est dégagé
r 1 r 1 r n
≥1 Le bond est très bien dégagé p
r 1
0 , 6 Le bond n’est pas dégagé
• Réalisation du dégagement optimal de bond et correction éventuelle.
En atmosphère normal le rapport
r n r 1
=1
Donc r n = r 1 Le
dégagement de chaque bond est optimal Si le rapport
r n
f
r 1
1 le bond est trop dégagé donc il faut diminuer la hauteur
des pylônes en faisant r n − r 1 Si le rapport
r n r 1
p
0 , 6 Le bond n’est pas dégagé donc on peut augmenter la
hauteur des pylônes en faisant r 1 − r n
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IV-LES ANTENNES : PUISSANCE EMISE et RECUE en FH
La technique du Faisceau Hertzien repose sur deux puissances: - la puissance isotrope rayonnée équivalente d' une antenne rayonnante de gain connu - les puissances reçues par les antennes de réception de gain connu Afin de comprendre les définitions du gain et les calculs correspondant, une approche physique est préalablement nécessaire: le modèle de la propagation isotrope Nous allons placer un capteur à la distance d d'une source isotrope et nous préoccuper de connaître le nombre de photons que ce capteur reçoit par unité de temps. Nous serons ainsi à même de pouvoir utiliser un "mesureur de puissance " fort utile pour caractériser les rayonnements reçus. Afin de simplifier le cours, nous utiliserons de plus le modèle " photonique" de la lumière transformant ainsi les mesures de puissances en simple opération de comptage A cet égard, rappelons que le photon transporte une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement considéré E = h.f ( loi de Planck-Einstein) avec: f = fréquence en Hz et h = 6,62 10 -34 J.s 1- Les lois du rayonnement isotrope
a) la puissance rayonnée par la source Lorsqu' une source de rayonnement distribue uniformément dans l'espace ses photons, ceux-ci occupent, au fur et à mesure de leur propagation une sphère de rayon d croissant avec le temps...: la sphère photométrique
Soit une source ponctuelle O qui émet chaque seconde un nombre de photons constant et nommons ce nombre: " fi " ( unité s-1) La puissance émise par cette source sera donc P = fi. E b) puissance reçue par le capteur d'aire A placé à d de la source Abordons maintenant le calcul de la puissance reçue par le capteur, et explorons en premier lieu la figure suivante:
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Les photons émis par la source couvrent la totalité de la sphère photométrique distribution isotrope) Définissons une nouvelle grandeurn caractérisant la densité du rayonnement: la densité surfacique de photons traversant chaque seconde la sphère photométrique. avec sigma = 4 pi d² ( aire de la sphère) , écrivons: n = fi / sigma on obtient: n = fi / 4 pi d² * unité : m-2s-1 * comme on le remarque n diminue avec la distance d (loi de décroissance photométrique); lorsque la distance double, n se divise par 4, ce qui explique que l'éloignement d'une source entraîne la décroissance très rapide de la densité des photons reçus.
Voyons maintenant ce qui se passe au niveau du capteur: celui ci a une aire de réception S...traversée par la densité n de photons cela signifie qu'il reçoit chaque seconde la quantité " fi ' " de photons suivante: fi' = n . A soit fi ' = fi. A / 4 pi d² Conclusion: notre capteur reçoit une puissance P'= fi '. E soit en utilisant la relation P= fi. E P' = P. A / 4 pi d² Exemple: à la source P = 1 kW d = 1 km et A = 1 dm² = (0,010 m²) au capteur. P' = 103.0,01 / {4.3,14159.(103)2} = 8 10-7 W = 0,8 µW Comme on le voit, cette valeur est extrêmement faible eu égard à la puissance émise ! C'est pour cette raison, qu'en terme de communication hertzienne grande portée et à niveau de puissance suffisant, nous allons être amenés à concentrer dans l'espace la puissance émise, et donc à abandonner la propagation isotrope 2- Zones de rayonnement d'une antenne
On distingue pour chaque type d'antenne trois zones de rayonnement : • Zone de Rayleigh (ou zone de champ proche) • Zone de Fresnel N’GUESSAN REMI
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• Zone de Fraunhoffer (ou zone de champ lointain)
En fonction de la distance à l’antenne, on définit ainsi 3 zones de rayonnement : la zone de Fresnel, la zone de Raleigh et la zone de Fraunhoffer. La zone de Rayleigh : c’est la zone de champ proche. Il y a échange d’énergie réactive entre l’antenne et le milieu extérieur. Zone dangereuse La zone de Fresnel il s’agit d’une zone intermédiaire dans laquelle la densité de puissance est fluctuante. C'est un phénomène électromagnétique, où la lumière ou les signaux par radio reviennent diffractés ou courbés par des objets pleins près de leur chemin La zone de Frauhoffer : c’est la zone dite de champ lointain, à grande distance par rapport à la longueur d’onde. Les champs sont rayonnés sous la forme d’onde quasiment plane. Zone de Rayleigh : Zone de champ proche, la densité de puissance est quasiconstante
Zone de Fresnel : la densité de puissance est fluctuante
Zone de Fraunhoffer : Zone de champ lointain, les champs sont rayonnés sous la forme d'onde plane,
3-Caractéristiques d'une antenne
Notations : P(r, θ, ϕ) [W/m2] densité de puissance radiale (composante |S |) PF [W] puissance fournie à l'antenne PE [W] puissance émise PR [W] puissance reçue
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D(θ, ϕ) [-] directivité de l'antenne G(θ, ϕ) [-] gain directif de l'antenne G0 [-] gain de l'antenne a-Antenne isotrope
On appelle antenne isotrope une antenne théorique rayonnant uniformément dans toutes les directions de l'espace. Une telle antenne n'a donc pas de direction de propagation privilégiée; on dit qu'elle n'est pas directive. A une distance r la densité de puissance vaut : Si l'antenne isotrope est intéressante pour le calcul théorique, il est important de noter qu'elle est impossible à réaliser dans la pratique… b-Directivité La directivité (parfois appelée gain directionnel) d'une antenne est définie ainsi :
On admet que piso est la densité de puissance émise par une antenne isotrope qui aurait la même puissance émise PE. La directivité indique dans quelles directions la densité de puissance est meilleure ou moins bonne que celle de l'antenne isotrope. La directivité ne dépend pas de r, car les deux densités décroissent en 1/r2. c- Gain en puissance et rendement
Le rendement d'une antenne est défini ainsi : puissance Le gain en mais de la de fréquence du signal émis. Il est trèssupérieures faible aux basses fréquences atteintdépend des valeurs 75% à 95% pour des fréquences à 1 MHz. Les différents gains en puissance d'une antenne sont les suivants : Gain directif : Gain:
Le gain d'une antenne correspond au meilleur gain directif dans une direction(s). Les plus grands gains sont obtenus avec des antennes paraboliques (20 à 60 dB). Attention Une antenne est un élément strictement passif qui n'amplifie pas le signal ! Son gain, par définition, représente la concentration de puissance dans une direction privilégiée par rapport laà une antenne isotrope sans On déduit densité de puissance d'unepertes. antenne par rapport à la puissance fournie PF :
De fait, le gain en puissance d'une antenne est un paramètre plus intéressant que sa directivité; en effet, comme le rendement y est inclus, on peut calculer la densité de puissance 4-Diagramme de rayonnement C'est la représentation de G(θ,ϕ)/G0 (ou parfois simplement G(θ,ϕ)) en fonction de θ ou de ϕ sur un diagramme polaire ou rectangulaire. Lobe principal, lobes secondaires et angle d'ouverture
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Le diagramme de rayonnement d'une antenne directive a l'aspect décrit par la Figure cidessous. A noter que le gain est souvent donné en dB.
En principe, les lobes secondaires sont indésirables pour une antenne directive. On se rend compte que plus on les réduit, plus on renforce le lobe principal. On appelle angle d'ouverture l'angle ψ du cône à G0/2 (−3 dB) sur le diagramme de rayonnement. 5-Puissance isotrope rayonnée (PIRE, angl. EIRP)
Dans la direction optimale du lobe principal, le gain directif G( θ, ϕ) est égal à G0. On définit la puissance isotrope rayonnée de la manière suivante : [W] Dans cette direction privilégiée, on a donc la densité de puissance suivante : Quand on utilise une antenne directive (par exemple une antenne parabolique), il est clair qu'on va chercher à l'orienter de manière optimale pour avoir G( θ, ϕ)=G0. Dans la direction choisie. Dans ce cas, la PIRE suffit pour connaître la densité de puissance à une distance r quelconque. Surface équivalente
Soit une antenne de réception captant une onde dont la densité de puissance vaut p(r, θ,ϕ) et délivrant une puissance PR. La surface équivalente ou surface de captation de l'antenne est définie par : Donc : Connaissant la surface équivalente d'une antenne et la densité de puissance reçue, on trouve immédiatement la puissance reçue. On montre qu'en raison de la réciprocité, la surface équivalente est liée au gain de l'antenne de réception :
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6-Genres d'antennes
On distingue les types d'antennes suivantes :
7- Affaiblissement en espace libre Il s'applique particulièrement aux liaisons à visibilité directe (propagations troposphériques,
faisceaux hertziens, liaisons par satellite, etc.). On néglige l'influence du sol et les pertes atmosphériques. Paramètres de l'émetteur PF [W] Puissance fournie PdBWF [dBW] Puissance fournie en dBW GE [-] Gain de l'antenne d'émission GdBE [dB] Gain de l'antenne d'émission en dB Paramètres du récepteur PR [W] Puissance reçue PdBWR [dBW] Puissance reçue en dBW GR [-] Gain de l'antenne de réception GdBR [dB] Gain de l'antenne de réception en dB Distance entre les antennes r [m] Les gains en dB et les puissances en dBW répondent aux relations suivantes :
On calcule la puissance reçue :
L'affaiblissement de la liaison, exprimé en dB, est le suivant :
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On appelle affaiblissement isotrope le terme : Donc : Soit une puissance d'émission PdB et un affaiblissement AdB connu. La puissance de réception est : En résumé : Exemple
Soient deux antennes identiques de gain G0=10 dB et éloignées de 300m. Le signal est émis à une fréquence f=400 MHz avec une puissance de 2.5 W. Calculer l'affaiblissement de la liaison et la puissance du signal reçu (exprimé en W). SOLUTION
8-Types d'antennes a-Antenne Yagi
L'antenne Yagi est constituée d'un dipôle replié (radiateur), auquel on a associé un ou plusieurs éléments passifs, appelés directeur(s) et réflecteur.
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Lorsque le dipôle actif est alimenté, il émet des ondes EM; les dipôles passifs vont être excités par des courants et ils vont rayonner à leur tour. Le champ rayonné est la somme des champs émis par tous les éléments rayonnants. Ce type d'antenne est très difficile à calculer, dans la mesure où tous les éléments interagissent les uns avec les autres Etant donné l'asymétrie de l'antenne, le diagramme de rayonnement dans le plan de l'antenne est relativement unidirectionnel.
La présence d'éléments passifs diminue la résistance de rayonnement de l'antenne, qui se situe généralement vers 75 Ω. Les antennes Yagi sont les fameuses antennes de télévision que l'on voit de moins en moins sur nos toits… b- Antennes paraboliques
- la construction de l'antenne Une antenne parabolique pour faisceau hertzien est un ensemble constitué d'un dipôle rayonnant et d'un réflecteur parabolique ... Le dipôle est fixé au bout du bracon central: c'est la partie sensible de l'antenne, capable d'émettre et/ou de recevoir des signaux électriques. Il occupe le foyer de la parabole. La parabole a pour fonction de rassembler sur ce dipôle les ondes reçues dans le cas d'une antenne de réception ...et de disperser les ondes émises par le dipôle dans le cas de l'émission.
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Les communications hertziennes étant en général bidirectionnelles (aller et retour en half ou en full-duplex) la même antenne est à la fois émettrice et réceptrice. - Sa fixation et ses mouvements: Cette antenne étant destinée à communiquer avec un autre émetteur-récepteur elle doit être fixée dans l'espace. Elle est donc mobile (ou règlable) autour de deux axes afin de diriger l'antenne dans laestdirection maximale. Cette direction repérée de parréception deux angles: - le gisement, angle horizontal gradué de 0 à 360° à partir d'une direction dite ligne de foi - le site angle vertical gradué de 0 à 90°... la connaissance et le réglage de ces deux angles assurent le pointage de l'antenne vers sa cible ( une autre antenne, un satellite...)
Direction de pointage d'une antenne Gisement et site sont des termes empruntés à la terminologie militaire ou aérienne et navale ( radar de poursuite )... ils ont pour correspondants "civils": azimut et hauteur. Les antennes paraboliques se caractérisent par une directivité très forte. On les utilise en général pour des fréquences plus hautes que 1 GHz. En dessous de 400 MHz, leur taille devient problématique. L'antenne parabolique est constituée d'un cornet (antenne de type ouverture) et d'un réflecteur parabolique.
Le réflecteur parabolique transforme une onde sphérique en onde plane. On ne peut cependant pas obtenir une transformation totale: il faudrait pour cela un réflecteur de diamètre D infini. On montre que le gain maximal G0 d'une telle antenne est le suivant :
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où k est un paramètre variant de 0.5 à 0.8. On déduit la surface équivalente à l'aide de : où S est la surface du disque du réflecteur parabolique. L'angle d'ouverture ψ à –3dB est approximé par : V- BILAN DE LIAISON La puissance transportée par un faisceau hertzien se partage en deux parties : - la puissance transmise par la porteuse (de 1 à 40 GHz) - la puissance transportée par le signal : modulation de fréquence AM et FM en analogique, modulations MAQ, MDP, DPSK, FSK en numérique. Cette puissance Pr doit dépasser à la réception le niveau du bruit de fond des équipements afin d’assurer la qualité de la transmission L’IUT-R, organisme de centralisation des normes télécom préconise une puissance seuil
minimale Ps dBm pour assurer la qualité de la transmission ; Ps dépend du débit de la transmission. MB MB = PR - PS représente la réserve en niveau de La marge brute FH définiedepar puissance (dB) du FHdupermettant dépasser PS. Cette marge MB dépend étroitement du partage de puissance entre porteuse et type de modulation du signal, et se calcule à partir de références fournies par l’IUT-R ; à l’aide de sa valeur, des procédés de calculs assez complexes permettent de valider le paramètre fondamental de la transmission : p le temps relatif de dépassement du taux d’erreur TE (TEB en numérique) Le bilan hertzien est donc un calcul de PR puis de MB conduisant à une validation du FH / norme préconisée 1-Calcul de Pr ( dit aussi bilan de liaison en espace libre ) a) puissance rayonnée par l’émetteur FH et PIRE de la parabole d’émission Tout calcul d’émission de puissance s’effectue par le passage à la PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente) On a par définition du gain G : PIRE = Pe.Ge où Pe est la puissance d’émission rayonnée à la base du lobe d’antenne. Si Pe désigne la puissance de l’émetteur, on doit faire intervenir les taux d’affaiblissement 1/ Le dus aux feeders Dans ce cas on écrira : PIRE = Pe.Ge /Le qui donne en niveaux : PIRE = PE + GE – LE b) puissance reçue Pr par la parabole de réception située à d de la parabole d’émission La puissance reçue par la parabole de réception est le flux du vecteur de Poynting au travers de son aire équivalente Ar soit Pr = S.Ar S = PIRE / 4πd² ( loi de la photométrie isotrope ) => P = PIRE.A / 4πd² r Afin de faire apparaître un terme de rgain Gr analogue à celui de l’antenne d’émission, on est amené à écrire par un jeu de produit puis division par le terme (4π / λ²) :
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Pr = PIRE.A r/ 4πd² = PIRE.Ar .(4π / λ²). λ² / (4πd) ² = PIRE. Gr λ²/ (4πd)² en niveaux : PR = PIRE + GR + 10log λ²/ (4πd)² = PIRE + GR + 20log λ / 4πd Afin de tenir compte de la réalité des pertes de lignes en réception (guides d’onde et feeders) on utilise dans la pratique le calcul de PR au niveau de l’entrée du récepteur ; par un raisonnement identique à celui effectué à l’émission, on écrira : forme :
PRdB = PIREdB + GRdB + 20log λ /4πd - LRdB
qui se développe enfin sous la
PRdB = [PEdB + GEdB - LEdB] + [GRdB – LRdB ] + 20log λ /4πd Avec la présence sur le trajet du FH d’obstacles ou d’absorbants (hydrométéores) créant un affaiblissement supplémentaire AS on aura au final : PR = PE + (Ge + Gr ) + 20log[ λ /4πd ] - LE - LR - AS niveau reçu niveau émis gains d’antenne dBW ou dBm dBW ou dBm dB
aff. esp. libre dB
pertes de lignes aff. Sup. dB
dB
2-Calcul de la marge brute : Écrire et calculer: MB = PR – PS dB dBW ou dBm dBW ou dBm Recherche du temps relatif de dépassement : procédure de calcul préconisée par l’IUT-R Le coefficient p exprimé en millionième de temps pour le mois le plus défavorable de l’année (saison + météo du site traversé) et désigné par le terme’’ temps relatif de dépassement’’ représente la fraction de durée d’une allocation où le taux d’erreur binaire TEB normalisé = 10-3 est dépassé. Remarque : le coefficient p dépend du type de modulation, du débit, de la distance du bond et du nombre de relais. Exemple : p = 4,5 à f = 7 GHz pour un débit de 8 Mbit/s sur un trajet de 280 km en 5 bonds de 56 km chacun signifie qu’au cours d’un mois ( 2,63 Ms) pour ce type de liaison FH numérique il faudra compter au pire (mois le plus défavorable) sur un taux d’erreur supérieur à 0,001 ( 1 bit faux sur 1000 ) pendant 11,8 s L’IUT-R fournit toutes les constantes nécessaires au calcul de p et le mode de calcul correspondant calcul d’une marge dite sélective Ms du type Ms = M0 + Σ ∆Ms où : Mo = marge sélective de référence ∆Ms = corrections (débit, fréquence, distance, états de phase) faisant état constante IUT-R des pertes de puissances liées au type de mise en forme du signal transmis ∆Ms débits = - 20 log D/Do ∆Ms fréquence = 20 log f/fo ∆Ms distance = - 35 log (d/do) ∆Ms phases = + 6 dB pour un passage de 8 à 4 états - 1,5 dB pour un passage de 8 à 16 états calcul d’une marge dite marge nette Mn liée à la marge brute MB et à la marge sélective MS par : Mn = - 10 log (10 –Ms/10 + 10 – MB/10) unité : dB loi semi-empirique permettant de calculer p : 10 log p = 35logd km + 10 log f Ghz – 78,5 – Mn La comparaison de p calculé à un po désigné par le terme objectif de qualité permet de valider la liaison si p < po FH conforme IUT- R 3- Cas d’un objectif de qualité non atteint : Si p > po c’est que la marge nette est trop faible, et donc que la marge brute l’est aussi, car la
marge sélective est une caractéristique du traitement imposé au signal.
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La seule solution consiste à augmenter la marge brute, c’est à dire à augmenter le niveau de puissance reçu Pr Une analyse et des actions correctives s’imposent : Au niveau maintenance : - en améliorant la liaison à tous les étages électroniques de l’émetteur et du récepteur en améliorant les conditions de la réception : direction des antennes, recherche du -meilleur conduit de propagation en fonction de la fréquence, inspection des feeders, et minimisation de leur longueurs, état de propreté des guides d’ondes pour des FH à cornets, propreté et états superficiel des paraboles… Au niveau conception : - se poser la question de la puissance d’émission, de la taille D des paraboles, de la hauteur H des mats - de la présence des obstacles diffractant ou absorbants sur le trajet - du bon choix de la fréquence - de la distance de la liaison (relais peut-être indispensable) VI- Applications et mises en œuvre courantes de FH
Les FH trouvent leur application pour la transmission des données et services dans des situations de liaisons répondant à des exigences particulières : a) dans le domaine militaire : - inexistence ou difficulté d’accès à des réseaux filaires dispositifs FH opérationnels théâtre extérieur - mobilité et variabilité des sites d’émission et réception FH terrestre et satellite - nécessité d’une ’’appropriation fréquence, confidentialité signal’’ lié à un haut débit b) dans le domaine civil : - appropriation d’une liaison par une entreprise nationale, création de réseaux participation à la boucle locale radio BLR - liaisons provisoires solution d’attente entre des site opérateurs non câbléstéléphoniques - commandes à distance de dispositifs de mise en marche et de surveillance systèmes ( FH de service, télémaintenance) Modulations Numériques: MDA: modulation d'amplitude MDP : modulation de phase MAQ: modulation d'amplitude quadratique (débit très élevé) FM: modulation de fréquence DPSK: differential phase shift keying (déplacement de différence de phase verrouillée) FSK: fréquency shift keying (déplacement de fréquence verrouillé) Exercice
Une antenne parabolique a un diamètre D= 50cm et un rendement Quelle est sa directivité à 4 GHz ? Quel est son gain à 4 GHz ? Mêmes questions à 20 GHz.
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= 0,5.
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VII-Complément du Bilan de Liaison
1- Notions de base
a- Données de base
– Pr= Puissance reçue (dBm) – Pt = Puissance transmise (dBm) – Gt = Gain d'antenne émission (dBi) – p diverses = pertes diverses (dB) – α = perte de propagation (dB) – Gr = Gain d'antenne réception (dBi)
f = bande de fréquence (canal) D = distance linéaire entre 2 points K = constante de rotondité
K vaut 1,33 en France, mais varie de 1 à 1,66 (pôle/équateur)
b- Les pertes diverses peuvent se décomposer en : pertes de lignes, pertes de désadaptations,
dépointage à l'émission et à la réception, filtrage, dépolarisation (rotation), etc. selon le détail du système étudié. • La perte de propagation peut s'exprimer de diverses façons, à partir de: α
= - 20*log10(λ /4πR)
• Soit, =en32,45dB unités courantes, une[fréquence atténuation(MHz)] de : + 20*log10 [distance(km)] + 20*log10 • Cela donne la formule globale : Pr = Pt + Gt – A(f,D,K) + Gr avec A(f,D,K) = α (f,D,K) + p diverses α(dB)
2-Budget de liaison
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3-Atténuation en espace libre
Avec Pr/Pe l'atténuation est donc égale à :
=
L'atténuation en espace libre est donc égale à :
Avec f en MHz et d en km L’atténuation en espace libre est aussi
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Que signifie le terme espace libre? C’est proposé àoccultant la propagation du faisceau entre (l'émetteur et le récepteur, dénuél'espace de tout obstacle ( masque) réfléchissant miroir) diffractant ( objet à bord ou semi occultant) ou absorbant ( feuillage, hydrométéores), bref un espace "vide" . -Que signifie celui d'atténuation ? l'atténuation est en électronique le rapport entre grandeur de sortie sur grandeur d'entrée, exemple : tension d'entrée 10V tension de sortie 2V atténuation : A = 0,2 sans unité
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puissance d'entrée 100 W de sortie 50 W atténuation : A = 50/100 = 0,5 toujours sans unité en fait, l'atténuation est une amplification < 1 Cette atténuation, peut aussi s'exprimer en niveau d'atténuation: A dB = 10 log A pour les 2 exemple ci-dessus cela donnerait : AdB = 10 log 0,2 = -7 et A dB = 10 log 0,5 = -3 Exemple pour Faisceaux Hertziens: soit Pe la puissance de l'émetteur au niveau du dipôle émetteur et Ge le gain de l'antenne cherchons la puissance reçue par l'antenne de gain Gr ( et d'aire équivalente Ar ) soit f la fréquence d'émission de la porteuse c la célérité du FH ( et donc lambda = c/ f sa longueur d'onde ) soit d la distance émetteur-récepteur PIRE de l'émetteur: PIRE = Pe.Ge Eclairement (reçue par l'antenne du récepteur: S = PIRE / 4pid2 en propagation isotrope équivalente. Puissance ( à demi hauteur) reçue par l'antenne et concentrée sur le dipôle récepteur: Pr = S.Ar = PIRE.Ar / 4pi d2 rappel sur les gains: G = 4pi A / lambda2 où A est toujours l'aire équivalente à demi puissance. Donc Pr = PIRE. Gr.lambda2/ 4pi.4pi d2 soit PIRE.Gr.lambda2/ (4pi d) 2 comme lambda = c / f , on aboutit à la relation: Pr = PIRE. Gr.c2/ (4pifd)2
Enfin, à partir de l'expression de la PIRE, on obtient : Pr = PeGec2 /(4pifd)2 par définition le terme c2 / ( 4pifd)2 est l'AEL ( atténuation en espace libre). Son niveau dB est donné par AELdB = 20 logc -20log4pi - 20logf - 20logd 8
avec c = 3 10 m/s dans l'air sec, 4pi = 12,56... on obtient le développement suivant:
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AEL(dB) = 169,5 - 21,98 -20 logf - 20 log d = 147,5 - 20log f - 20log d
unités pratiques pour le calcul de l'AELdB: f en GHz et d en km avec f GHz = f / 109 et d km = d / 103 on obtient : AEL(dB )= 147,5 - 20 log (fGHz.109) - 20 log (dkm.103) or 20log109 = 180 et 20log103= 60 d'où : AEL(dB)= - 92,5 - 20 logfGHz - 20 logdkm
commentaire: l'AEL est en niveau négatif et sa valeur absolue augmente avec: - la fréquence: les fréquences élevées sont plus atténuées que les fréquences basses - la distance qui en augmentant atténue la puissance recue bilan hertzien en espace libre, d'antenne à antenne: Pr = Pe.Ge.Gr.AEL devient en niveau de puissance bien sûr: 10 log Pr = 10log Pe + 10logGe + 10logGr + 10 log AEL avec Pe en mW et Pr en mW le bilan devient PrdBm = PedBm + GedB + GrdB - ( 92,5 + 20 log fGHz +20 logdkm) exemple classique: niveau de puissance émetteur: 40dBm ( 10 W = 1000 mW ) gain GedB = 30 fréquence 2 GHz
distance 50 km
récepteur: gain GrdB = 30 AELdB = - 92,5 - 20 log 2 - 20 log 50 = - 128,2 Pr(dBm) = 40 + 30 + 30 -128,2 = -28,2 dBm conversion en puissance: Pr (mW) = 10 Pr(dBm)/10 = 1,51 mW = 1514 mW 4- Présentation du bilan de liaison
Les caractéristiques des équipements d'extrémité à prendre en compte pour le calcul du bilan énergétique sont : Puissance d'émission : C'est la puissance du signal que l'équipement hertzien peut délivrer.
Elle est couramment comprise entre 20 et 30dBm.
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Seuils de réception : Définis par rapport à un taux d'erreur binaire donné (TEB=10-3 ou 10-
6), ils traduisent la capacité pour le récepteur à traiter le signal affaibli après propagation (visà-vis du bruit thermique). Dépendant de la bande de fréquence, du débit et du type de modulation, ils sont généralement compris entre -70 et -95dBm Pertes de branchement (guide d'onde, connectique…) : Pour les équipements ne présentant
pas d'antennes intégrée, il est nécessaire de relier par un câble coaxial ou un guide d'onde l'émetteur/récepteur à l'antenne. Ces déports induisent des pertes linéiques de 1 à plusieurs dB, auxquels s'ajoutent les pertes dues aux connecteurs et autres éléments de branchements. Gain de l'antenne : Les antennes, principalement paraboliques, apportent un gain de
puissance (de l'ordre de 25 à 45dB) d'autant plus grand que leur diamètre est important. La directivité du faisceau augmente avec la bande de fréquence et les diamètres de l'antenne. L'obtention du bilan de liaison repose sur le constat simple : la station distante doit recevoir un signal tel qu'elle puisse le retranscrire avec un taux d'erreur acceptable, au regard des exigences de qualité de la liaison. Le bilan de liaison, sommation de la puissance émise et de tous les gains et les pertes rencontrés jusqu'au récepteur, doit donc être tel que le niveau de signal reçu soit supérieur au seuil de réception.
Cependant , si les caractéristi ques d'émission/réception du FH jusqu'à l'antenne peuvent être connus avec précision, il est en revanche impossible de connaître à tout instant les caractéristiques du milieu traversée par les ondes. 5- Définition des marges
Les critères de performance d'une liaison définissent les pourcentages de temps alloués au cours desquels le signal doit être reçu avec une qualité et une disponibilité suffisantes. Etant donné les conditions fluctuantes de propagation qui peuvent dégrader voire interrompre
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occasionnellement la liaison, on définit en réception les marges de fonctionnement permettant de remplir ces critères. La marge au seuil : Pour compenser la majorité des pertes occasionnelles de puissance
(évanouissements non sélectifs) que subit le signal, la réception se fait avec une marge appelée marge oude marge au seuil.sans C’estperdre la puissance que l’on pourradeperdre par dégradation desuniforme conditions propagation pour autant la qualité la liaison. La marge sélective : Comme on l'a vu, le signal ne subit pas qu’un affaiblissement au cours
de la propagation. Il subit également des distorsions. Ceci complique encore la tâche de réception. Pour traduire la capacité d’un équipement à traduire correctement un signal entaché de distorsion, on introduit une marge dite sélective, qui découle de la caractéristique de signature du récepteur. La présence d’un perturbateur (par exemple une autre liaison émettant sur une fréquence trop proche) peut également amener une dégradation du seuil effectif du récepteur, et réduit par conséquent ces marges. Exemple 1 : Calcul d'un bilan de liaison sur 10 GHz
Avant de se lancer dans l'installation d'un lien 10 GHz, il peut être bon de dégrossir le bilan de liaison, c'est à dire d'estimer par le calcul quel sera le signal reçu. Ce calcul s'entend en propagation en vision directe sans obstacle, même réfléchissant. Les calculs se font directement en décibels: Puissance d'émission
Elle s'exprime en dBw ou en dBm, c'est à dire en décibels par rapport au Watt ou par rapport au milliwatt; vu les puissances que nous pratiquons, nous parlerons en dBm. La puissance en dBm est égale à dix fois le logarithme de la puissance en milliwatts: Pe (dBm) =10*log (Pe(mW)) En dessous de 1mW on obtient des valeurs négatives, par exemple 0,1mW correspondent à 10dBm.
Pe 1 mW 10 mW 100 mW 1W
dBm 0 10 20 30
10 W 100 W
40 50
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Exemple 2 : Calcul d'un bilan de liaison Les données sont les suivantes :
Fréquence ………………………….6GHZ Longueur du bond…………………..50 Km Puissance d’émission………………..10W, soit 40 dbm Gain des antennes……………………45,5 dBchacune Longueur des guides ondes…………...30 m à l’émission, 70 m à la reception Perte dans les guides …………………..5 dBpar 100 m Perte dans les branchements (à l’émission + à la réception)….5,9dB Calculer la puissance reçue. Exercice I
Soit une onde de fréquence 6 GHz, la longueur du bond est de 50 km. La puissance nominale de l’émetteur est de 10 mW, le gain de chacune des antennes d'émission et de réception est de 25 dBi. La longueur du guide d'onde de l'émission est de 30 m et celle de la réception est de 70 m. La perte dans les guides d'onde est de 0.05 dB/m. Les pertes de branchement dans l’émetteur s'élèvent à 3estdBlaetPIRE dansde le l’émetteur? récepteur à 2,9 dB. 1. - Quelle 2. - Quelle est la puissance disponible au récepteur? 3. - La sensibilité du récepteur est de -100 dBm, reçoit-on le signal? 4. - Quelle est la portée possible? Exercice II
On donne les caractéristiques suivantes pour une liaison par faisceau hertzien implantée en Côte D’ivoire : La fréquence = 6 GHz, La longueur du bond = 55 km, Le gain des antennes G = 43,7 dB, Les E/R = 3(sur dB,les tours en hauteur) = 2 dB, Les pertes pertes par par branchement branchement des des blocs équipements La puissance crête à l’émission PE = 33 dBm. 1- Quelle est la longueur d’onde du signal émis? 2- Quel est l’affaiblissement de propagation ? 3- Quelle est la puissance émise en mW? 4- Quelle est la puissance reçue en mW et dBm?
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VIII- LES APPLICATIONS
Faisceau Hertzien PDH 2-16 E1 Spécifications
La gamme de faisceaux hertziens FlexiHopper de NOKIA se décline en trois familles: NOKIA FlexiHopper 4E1, NOKIA FlexiHopper et NOKIA FlexiHopper Plus. Les FlexiHopper sont des systèmes de boucle locale radio. Flexibles et fiables, ils peuvent être utilisés dans plusieurs types de réseaux de transmission: téléphonie mobile, réseaux fixes, réseaux privés... Ils offrent des fonctionnalités flexibles telles que la sélection de la capacité et de la modulation ce qui permet de continuer à les exploiter quelque soit l'évolution du réseau. Les Faisceaux Hertziens FlexiHopper sont disponibles dans les bandes de fréquences suivantes: 7, 8, 13, 15, 18, 23, 26, 28, 32 et 38 GHz. La capacité de la transmission radio des FlexiHopper est modifiable de manière logicielle entre 2x2, 4x2, 8x2 ou 16x2 Mbit/s La configuration du FlexiHopper est constituée d'un module externe, et d'un module interne ce qui permet de réduire au maximum les besoins en espace et en équipement.
Nokia FlexiHopper Les avantages principaux du NOKIA FlexiHopper sont: • • • • • • •
Une grande fiabilité, donc un coût de maintenance très bas Capacité flexible; évolutions logicielles peu coûteuses Un module interne supporte plusieurs modules externes; économie d'équipement et d'espace, possibilité de configurations redondantes, protégées (1+0, 1+1) Basse consommation et gestion automatique de la puissance d'émission Management à distance; visites sur site très rares Mode de modulation modifiable logicielle ment ce qui permet une adaptation aux besoins du réseau et aux changements des régulations Coût total de possession bas
Nokia FlexiHopper 4E1
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• • • •
Faisceau hertzien d'une capacité de 2 à 4 E1 Possibilité d'extension à 16 E1 avec des licences d'extension Modulation à 4 états Possibilité d'extension à une modulation à 16 états avec des licences de modulation
Nokia FlexiHopper
• • •
Faisceau hertzien d'une capacité de 2 à 16 E1 Modulation à 4 états Possibilité d'extension à une modulation à 16 états avec une licence de modulation
Nokia FlexiHopper Plus
• •
Faisceau hertzien d'une capacité de 2 à 16 E1 Sélection entre une modulation de 4 ou de 16 états
FIU 19E Indoor Unit
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FIU 19E est une unité intérieure pour la connexion des unités extérieures. Elle s'intègre facilement aux réseaux managés via Q1 et/ou SNMP. Elle offre une interface SNMP pour les systèmes de management commerciaux. Le management intègre aussi bien la gestion d'erreurs que la configuration. FIU 19E est connecté au système de management via le LAN. Ceci permet des connexions et un téléchargement de logiciels rapides. Avantages: • • • • •
La connexion par faisceau hertzien de sites distants est facile et le déploiement rapide Intégration aux systèmes de management SNMP tierces Management facilité grâce au LAN et au routage IP Téléchargement de logiciels et interactions avec le HopperManager rapide Routage IP pour le management de la boucle et pour la connexion d'équipement externe au même canal de management
Caractéristiques principales
Configuration FlexiHopper La configuration de base du FlexiHopper est constituée d'une unité interne et d'une unité externe, connectées via un seul câble le FlexBus sur lequel transitent l'alimentation et les signaux de transmission. L'antenne, disponible en plusieurs tailles (de 20cm à 300cm) se connecte directement à l'unité externe ou via un guide d'onde. Caractéristiques de l'unité interne
FlexiHopper unité interne L'unité interne, au format 19" a une épaisseur de 2 à 3U. Ces unités sont à très forte intégration, ce qui permet un gain de place et une fiabilité accrue. Les interconnections se font dans l'unité interne d'où une économie de câblage. Une unité interne supporte jusqu'à 4 unités externes avec différents scénarios de protection (hot standby, protection par diversité...) et jusqu'à 3 transmissions dans des directions différentes. L'unité interne se constitue de différentes interfaces "plugin" qui permettent d'avoir les fonctionnalités qu'on souhaite. Des interfaces 4x2M permettent d'accroître sa capacité, des interfaces Ethernet permettent d'avoir une transmission Ethernet dans le bond, en cohabitation avec la transmission PDH. La charge Ethernet se configure logicielle ment avec une granularité de 2Mbit/s.
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L'unité interne permet un management en local (Logiciel NOKIA Node Manager) ou à distance via le protocole Q1 (Logiciel NOKIA NMS) et même avec tout logiciel de management du marché grâce à sa compatibilité avec le protocole SNMP. Le management à distance permet même un upgrade de la configuration (augmentation de la capacité, changement de la modulation) en téléchargeant des fichiers de licence. Aucun changement de matériel n’est nécessaire.
Interconnection directe dans l'unité interne à forte intégration grâce au FlexBus
Caractéristiques de l'unité externe
FlexiHopper Unité Externe Les unités extérieures du FlexiHopper sont petites, légères et faciles à installer. Une unité extérieure peut se monter directement contre l'antenne (20, 30 et 60cm), dans ce cas on utilisera une unité d'alignement. Pour des antennes de plus grande taille, on peut fixer l'unité à l'antenne grâce à un adaptateur, sinon on y connectera cette dernière avec un guide d'onde flexible. Pour changer la polarisation du signal radio, il suffit de tourner l'antenne de 90°. Les unités externes sont équipées d'un système de gestion automatique de la puissance d'émission ALCQ qui est une méthode avancée d' ATPC (Automatic Transmit Power N’GUESSAN REMI
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Control). Cette dernière fait varier la puissance d'émission en fonction de la qualité du signal reçu à l'autre bout. Les unités externes consomment au maximum 25W. Ceci augmente leur autonomie en cas de fonctionnement sur batteries de secours et donc leur fiabilité.
Simple et double polarisation
Quelques scénarios de branchement du FlexiHopper Stations non protégées Stations protégées
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Scénarios d'installation du faisceau hertzien
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Faisceau Hertzien PDH 4 E1
Spécifications
Nokia propose plusieurs solutions de faisceau hertzien dont le NOKIA MetroHopper. Le Nokia MetroHopper est un équipement de boucle locale radio offrant un lien hertzien de 4x2Mbits (4 E1) pour des distances de 1.2Km max. Le MetroHopper fonctionne dans la bande des 58GHz. Il est disponible avec une antenne plate rectangulaire de 20cm ou une antenne parabolique de 30cm de diamètre. La petite taille du MetroHopper et son apparence discrète le rendent facile à implémenter en milieu urbain et permet aux opérateurs de trouver de nouveaux types de sites. Les deux types d'antennes peuvent être mélangés au sein d'un même faisceau hertzien permettant de trouver le bon compromis entre apparence et portée. La bande des 58GHz non règlementée permet une implémentation rapide du faisceau
MetroHopper, et ses caractéristiques de propagation permettent un maillage de densité optimale du réseau microcellulaire. Le MetroHopper partage les mêmes unités internes et la même plateforme d'interconnexion que la gamme FlexiHopper de NOKIA.
Avantages: •
Fonctionnement la bande des 58GHz, préalable non régulée ce qui permet des implémentations dans rapides sans planification et autorisations
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• • •
Réutilisation de la fréquence dans les réseaux urbains denses Petit, léger, facile et rapide à installer Les modules internes sont les mêmes que ceux du FlexiHopper
Caractéristiques principales
Configuration MetroHopper La configuration de base du MetroHopper est constituée d'une unité interne et d'une unité externe, connectées via un seul câble le FlexBus sur lequel transitent l'alimentation et les signaux de transmission. L'antenne petite et discrète est disponible en deux formes : circulaire ou rectangulaire pour s'intégrer dans les différents décors urbains. Elle se fixe directement à l'unité externe pour plus de discrétion et d'efficacité. Caractéristiques de l'unité interne
MetroHopper unité interne L'unité interne, au format 19" a une épaisseur de 2 à 3U. Ces unités sont à très forte intégration, ce qui permet un gain de place et une fiabilité accrue. Les interconnections se font dans l'unité avec interne d'où unescénarios économiededeprotection câblage. Une interne supporte différents (hot unité standby, protection parjusqu'à unités externes diversité...) et jusqu'à 3 transmissions dans des directions différentes.
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L'unité interne se constitue de différentes interfaces "plugin" qui permettent d'avoir les fonctionnalités qu'on souhaite. Des interfaces 4x2M permettent d'accroître sa capacité et d'avoir des transmissions dans différentes directions, des interfaces Ethernet permettent d'avoir une transmission Ethernet dans le bond, en cohabitation avec la transmission PDH. La charge Ethernet se configure logicielle ment avec une granularité de 2Mbit/s. L'unité interne permet un management en local (Logiciel NOKIA Node Manager) ou à distance via le protocole Q1 (Logiciel NOKIA NMS) et même avec tout logiciel de management du marché grâce à sa compatibilité avec le protocole SNMP. Le management à
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distance permet même un upgrade de la configuration (augmentation de la capacité, changement de la modulation) en téléchargeant des fichiers de licence. Aucun changement de matériel n’est nécessaire. Caractéristiques de l'unité externe
MetroHopper en zone urbaine L'unité externe du faisceau hertzien MetroHopper , légère et de petite taille est très facile à
installer. L'antenne se fixe directement à l'unité externe pour plus de discrétion. Deux antennes sont
disponibles, les antennes paraboliques de 30cm de diamètre qui offrent une plus grande portée et les antennes rectangulaires plates de 20cm qui ont été conçues pour une meilleure intégration dans le décor urbain et moins attirer l'attention. L'alimentation et les données étant transmises de l'unité externe via le FlexBus, cette dernière ne nécessite que le FlexBus, un câble de synchronisation et un câble de mise à la terre pourexterne fonctionner. L'unité du faisceau hertzien ne consomme en moyenne que 13W. Elle peut se fixer de différentes façons que ce soit sur un support mural ou sur un pôle de fixation. Ce qui permet une parfaite adaptation aux exigences des zones urbaines.
Vue de l'unité externe
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EXERCICES D’APPLICATION
On tire un FH de 6 GHz sur une distance de 5 k sur le trajet est située une forêt d'arbres de hauteur = 20 .on cherche à calculer la hauteur H des antennes permettant le passage moyenne du premierhoellipsoïde de Fresnel
SOLUTION 1-calcul de lamda: lamdacm = 30/ f Ghz = 30 / 6 = 5 donc lambda = 5.10-2 m
distance ER: d = 5 km = 5.10 3 m 2-calcul de h: h = 1/2 rac ( 5.10-2 . 5.103) = 1/2 rac ( 250 ) = 7,9 m 3-il faudra donc au minimum fixer la hauteur H à H = h + ho soit : H = 20 + 7,9 = 28 m
NB :Si le FH est tiré au dessus d'une zone d'obstacles ( végétation, constructions ...) il est préférable de "dégager" l'ellipsoïde de Fresnel en surélevant les antennes...ainsi l'antenne de réception recevra un maximum d'énergie
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COMPLEMENT DE COURS
1- Les progiciels dédiés pour la planification des FH
On utilise donc des progiciels dédiés et +/- ergonomiques. Dans ces outils de planification, ils sont déjà connus et nous n’avons qu’à analyser le meilleur rapport entre le gain à l’émission et celui en réception en relation avec : – la distance à parcourir, – l’atténuation de propagation et, – le relief intermédiaire (profil) du bond. Voici quelques logiciels spécialisés : – Planet (sous Windows NT/2000/XP pro) > Bouygues Telecom – Microwave Tool (sur SUN Microsystems) > Bouygues Telecom – Atoll (sur SUN Miscrosystems) > Orange, SFR & Bouygues Telecom – Sport FH (sur systèmes MVS) > SFR avant 2005 – iQlink (sur SUN Microsystems) > SFR depuis 2005 – ATDI solutions > Maroc Telelcom – PAPADOU (Prediction Assistant on Propagation Analogic or Digital radio for Operator Users) – PathLoss…etc. 2- LES RELAIS PASSIF
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NB :
α G = Pertes dans les guides d’ondes
α B = Pertes de branchements
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