Polycopié TD Du Module Communications Numériques Avancées (TOME2)
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All content following this page was uploaded by M'hamed Bilal Abidine on 04 March 2021.
Objectif .…………………………………………………………………………………………….4
Nous avons organisé notre polycopié en quatre parties de travaux dirigés. Le premier
TD aborde la mise en forme du signal à transmettre, le formatage des données
(codage des caractères), la modulation, et la détection en bande de base pour les
courtes distances. La notion de capacité du canal sera aussi élargie dans cette partie
pour la modulation en large bande sur une fréquence porteuse en utilisant le
déplacement d’amplitude (ASK), le déplacement de phase (PSK), le déplacement de
fréquence (FSK) et la modulation à deux porteuses en quadrature (QAM). La dernière
partie de ce TD sera dédiée à la détection d’erreur pour les signaux bruités dans un
canal AWGN et la compréhension des problèmes d’interférences entre symboles en
bande de base et en large bande, aussi le critère de Nyquist pour un canal à bandes
limitées sera abordé pour la transmission d'un train numérique. Le deuxième TD
traite des exercices sur les canaux à évanouissement, la caractérisation de la
propagation mobile, l’étalement temporel, la modélisation des canaux à
évanouissement, et l’atténuation due à l’ombrage.
Nous avons assisté ces dernières années à une mutation majeure, passant de la
modulation analogique aux nouvelles techniques de modulation numérique. A cela
vient s’ajouter dans de nombreux systèmes un autre facteur de complexité : le
multiplexage, c’est à dire la technique qui permet de délivrer plusieurs signaux
indépendants avec accès simultané à un système unique. Dans le troisième TD, nous
avons abordé les techniques d’accès multiple en système de communication (TDMA,
FDMA, CDMA et OFDM), les techniques d'étalement du spectre et les séquences
pseudo-aléatoires (OVSF, Gold …). Enfin, dans le dernier TD se trouve la base d’un
concept élémentaire dans les communications sans-fil, le MIMO. Cette technique
utilise de multiples antennes à la fois à l’émetteur et au récepteur, ce qui permet la
diversité, et ainsi, une plus grande capacité de communication d’informations tel
qu’on le verra au cours de cet ouvrage.
TD noI- Rappels sur les modulations numériques
Exercice1 :
Une modulation 16-QAM rectangulaire est utilisée pour transporter l’information sur
une ligne de téléphone en utilisant une porteuse à une fréquence de 3600Hz, avec
un taux binaire de 9600b/s comme suit :
Trouver :
(a) Calculer le taux de transmission de symbole
(b) La bande de fréquence utilisée pour un filtrage idéal de Nyquist
(c) Quelles sont ces limites ?
(d) Dessinez le spectre du signal émis
Exercice2 :
On considère une ligne de transmission filaire dont la bande passante totale est de
30kHz. La transmission des informations numériques doit être optimale en
exploitant au mieux les caractéristiques de cette ligne. On considère que le rapport
(S/B)dB =4dB.
Différents types de modulation ont été utilisés à l’intérieur de chaque canal afin
d’ajuster au mieux le débit en fonction du rapport (S/B) correspondant. On visualise
dans ce qui suit le spectre de cette ligne (Fig.I.2) ainsi que le bruit correspondant
dans la même bande passante (Fig.I.3).
Fig.I.2. Le spectre de la ligne de transmission.
(d) Donnez votre remarque concernant l’évolution du bruit comme illustré sur la
figure.
(e) Remplir le tableau suivant :
Modulation BPSK QPSK 8PSK
Débit (bits/s) …………… …………… 14400
Taux de symboles 4800 …………… ……………
(Bauds)
Exercice3 :
Déterminez :
(b) Le nombre de bits par symboles
(c) Le taux de symboles (Ts)
(d) La bande passante minimale requise pour la ligne de transmission
(e) L’efficacité spectrale
Exercice4 :
Si on choisit une modulation de type ASK avec le nombre d’états M=x dont la
constellation dans le plan (I, Q) est représentée ci-dessous et dans lequel on donne
A=1V. La fréquence de la porteuse a été fixée à fo=1Mhz et la durée du symbole
Ts=500μs. Afin de générer le signal modulé, VASK sera produit par multiplication du
signal d’entré numérique S(t) avec le modulateur E(t)= Eo.cos(wot) avec Eo=1V.
Exercice5 :
On désire transmettre un signal binaire à 200kbits par seconde en modulant une
porteuse à 10 MHz.
(a) Calculer la bande passante minimale dans le cas d’une modulation
QPSK avec filtre à cosinus surélevé ayant un facteur d’excès de bande α de
0.15.
8-PSK avec filtre à cosinus surélevé ayant un α de 0.35.
QAM avec un filtre à cosinus surélevé ayant un α de 0.35.
(b) Représenter les diagrammes de constellation selon le code Gray pour les
modulations 8-PSK et 16QAM.
(c) Quelle conclusion peut-on tirer ?
Exercice6 :
On souhaite transmettre un signal modulé en QPSK dans un canal de bande passante
égal à 18 MHz.
(a) Calculer le débit de symbole maximal (en bande de base et en large bande) avec
un filtre parfait.
(b) Calculer le débit de symbole maximal si on utilise des impulsions en cosinus
surélevé de facteur d’excès de bande α = 0.4.
(c) Calculer le débit binaire pour les deux cas.
Exercice7 :
Exercice8 :
Exercice9 :
Exercice10 :
Un système BPSK cohérent commis des erreurs à un taux moyen de 100 erreurs par
jour. Le débit de données est de 1000 bits/s. La densité spectrale de puissance de
bruit unilatéral est N0= 10-10 W/Hz.
Exercice11 :
(a) Quel est le type de modulation qui sera choisi pour une transmission numérique
dans un canal idéal AWGN sachant que le débit binaire est de 100kbits/s. Le critère
de performance principal d’un système est la probabilité d’erreur bit (PB). Les deux
types de modulation proposés sont :
PSK cohérente avec EB/N0 = 10dB (énergie par élément binaire sur N0).
FSK non cohérente avec EB/N0 = 15dB.
- Sachant que EB est l’énergie moyenne consacrée à l’émission d’un bit (mesurée à
l’entrée du récepteur), et No est la densité spectrale de bruit qui peut être exprimée
comme la puissance de bruit N /W avec W : est la bande passante de canal.
(b) Exprimer le rapport EB/No en fonction de (P, Db, N, W)
P : Puissance du signal à la réception
Db : Le débit binaire
(c) Démontrer que : >
( )
Exercice12 :
On considère une transmission M-aire (alphabet de M symboles) en bande de base
sur un canal bruité de bande passante B = 300 kHz. La densité spectrale de puissance
du bruit est constante N0=2 W/Hz. La puissance d'émission varie en fonction du débit
binaire Db. Le débit étant fixé à Db = 500 kbit/s. On visualise dans la figure ci-dessous,
la probabilité d'erreur par symbole pour un code de type NRZ à symboles M-aires.
Sachant qu’on utilise des impulsions en cosinus surélevé avec un facteur d’excès de
bande α = 0.2.
(a)Quelle valeur doit-on attribuer au nombre de bits n pour annuler l'interférence
entre symboles (IES).
(b)Quelle est la valeur de M devrait être choisi pour transmettre sans IES avec une
probabilité d'erreur binaire minimale ?
Une station de base de hauteur locale de l’antenne est hb =50m, émet un signal de
longueur d’onde de propagation est de 10cm à une cible mobile de hauteur locale de
l’antenne mobile (environ 1.5m).
On note h0 est l’hauteur locale du bâtiment le plus porche. Et n =2 (espace libre) qui
représente l’exposant d’affaiblissement. On donne dm=0.5km et dn=1km.
(a) Démontrer la relation de perte de puissance en chemin (Path loss (L)) pour
des antennes isotropes comme le montre la figure II.1.
(b) Calculer l’affaiblissement de parcours (L)
(c) Calculer l'affaiblissement de la puissance du signal reçu (en dB) dans le cas ou
y a pas pertes du système de réception et Kabsorbé =1.
(d) Calculer l'affaiblissement de la puissance du signal reçu (en dB dans le cas ou
y a pertes du système de réception avec bréfléchis =0.5 et Kabsorbé=0.5.
Exercice2 :
Un canal à évanouissement montre une réponse impulsionnelle avec des pics de puissance
et des temps relatifs ayant les valeurs suivantes: -15 dB à 1 μs, 0 dB à 10 μs, -25 dB à 18 μs, -
10 dB à 25 μs.
Déterminer les quantités suivantes:
Considérons un réseau sans fil intérieur LAN en avec fc = 800 MHz constituée de
différentes cellules de rayon r= 100m avec =√ et des antennes non
directionnelles.
(a) Dans le modèle de perte de chemin en espace libre, quelle est la puissance
d'émission requise au point d'accès pour que tous les terminaux à l’intérieur
de la cellule reçoivent une puissance minimum de 20μW?
(b) Comment cela change-t-il si la fréquence du système est de 5 GHz ?
Exercice4 :
- Considérons un système Ultra Large Bande (UWB). UWB est une technologie
à puissance limitée dans la bande sans licence de 3.1 à 10.6 GHz. Pour les
systèmes UWB multi-bandes OFDM (MBOFDM), il existe 5 groupes de bandes
dont les centres sont indiqués dans le tableau ci-dessous.
Tableau II.1. Les groupes de bandes spectrales pour un système UWB multi-bandes
OFDM.
1 f1 =3.960
2 f2 =5.544
3 f3 =7.128
4 f4 =8.712
5 f5 =10.032
- Selon l'équation de Friis, étant donné la même puissance émise,
l'atténuation des ondes au cours de leur propagation sera différente pour
chaque bande car ils utilisent une fréquence différente. (Cette variation de la
puissance du signal reçu peut être un facteur gênant.).
(a) Si le groupe de bandes 1 peut couvrir 10 mètres, estimez les plages de
couverture pour d'autres groupes de bandes dans le tableau. Expliquer
d’abord le principe de calcul et mettez vos réponses dans le tableau.
.
(b) Démontrer que la distance : ≤
Exercice6 :
10 m -70 dB
20 m -75 dB
50 m -90 dB
100 m -110 dB
300 m -125 dB
Exercice7 :
Exercice8 :
Exercice9 :
Exercice10 :
Exercice1 :
Exercice2 :
- Utilisateur No2 :
Bit à transmettre a2={±1}
Fig.III.1. Le signal émis par l’utilisateur no2 ainsi que le code d’étalement
correspondant.
- Utilisateur No3 :
Bit à transmettre a3={±1}
- Utilisateur No4 :
Bit à transmettre a4={±1}
Exercice3 :
Exercice4 :
Un système FDMA (1G) qui consiste à diviser une bande passante en plusieurs sous
bandes (canaux) avec largeur de bande du canal est de 5 MHz. Sachant qu’un canal
supporte 1 seul utilisateur. Notons qu’un canal s’il n’est pas utilisé par son utilisateur
assigné, il reste ‘Idle’ (perte de ressources).
Exercice6 :
Un réseau GSM utilise une structure de trame qui est divisée en 8 time slots (Tslot).
Chaque time slot peut contenir 156.25 bits. Le débit des données transmises est à
270.833 Kbit/s. Calculer
(a) Tb
(b) Tslot
(c) Ttrame
(d) Calculer le temps qu’un utilisateur qui utilise un time slot doit attendre pour
retransmettre à nouveau.
Exercice7 :
On considère la station de base d'un réseau GSM qui gère l'interface air avec les
mobiles de sa cellule. Une technique d'accès au canal radio de type TDMA a été
utilisée par l'interface air, dans laquelle la trame de base possède 8 fréquences
disponibles, c'est-à-dire 8 porteuses utilisées. La trame est divisée en 8 tranches de
temps avec la durée de trame totale est de 4.615 ms.
On donne le débit du multiplexeur GSM pour une seule porteuse : 270.8Kbit/s
(a) Quel est la durée d'un seul slot de temps ?
(b) Donner le nombre de bit par un time slot
(c) Quel est le débit utilisateur ?
(d) Combien de communications simultanées une cellule peut-elle contenir au
maximum si les données téléphoniques compressées en GSM représentent
12 Kbit/s ?
(e) Combien doit le client trouvé de tranches disponibles sur chaque trame pour
arriver à une communication à débit 64 Kbit/s ?
(f) Pour éviter une coupure des communications, comment doivent être deux
cellules entre elles ?
(g) Un mobile peut-il capter la même fréquence sur les deux cellules ?
(h) Comment doit-il choisir sa cellule dans le réseau GSM si le mobile capte les
fréquences des deux cellules ?
Exercice8 :
Exercice9 :
(a) Donner la forme du signal s(t) total correspondant à toutes les données d’un
symbole OFDM.
(b) Donner la condition nécessaire pour que le multiplexage soit orthogonal
(c) Chaque donnée ck module un signal à la fréquence fk. Donner l’expression de
fk.
(d) Calculer les fréquences respectives des différentes sous-porteuses sachant
que fo=0.1Ghz.
(e) Donner le spectre des différentes porteuses, ainsi que celui du signal OFDM.
(f) Calculer la bande passante en fonction du nombre de porteuses
(g) Calculer le débit total dans le cas d’une modulation 16-QAM
(h) Donner le schéma de modulation correspondant.
(i) Quelle est la différence entre symboles numériques et les symboles OFDM ?
(j) Si ck= ak + j bk. Montrer que le modulateur devrait comporter N modulateurs
individuels.
Exercice10 :
h(x) = x + x + 1
h (x) = x + x + 1
Exercice1 :
(a) Trouvez le modèle de canal parallèle équivalent pour un canal MIMO avec la
matrice de gain de canal est la suivante :
Exercice2 :
Exercice3 :
0.3 0.5
=
0.7 0.2
Supposons que H est connu à la fois au niveau de l'émetteur et du récepteur et qu'il
y a une émission totale de puissance de P = 10mW à travers les deux antennes
d'émission, un bruit (AWGN) avec N0 = 10−9 W/Hz à chaque antenne de réception, et
la bande passante B = 100 kHz.
Exercice4 :
1 1 −1 1 1 1 1 −1
= 1 1 −1 −1 = 1 1 −1 1
1 1 1 1 , 1 −1 1 1
1 1 1 −1 1 −1 −1 −1
Quel est le gain de multiplexage maximal de chacune des matrices - c'est-à-dire
combien de flux de données scalaires indépendants peuvent être pris en charge de
manière fiable ?
Exercice5 :
1 1 −1 1 1 1 1 −1
= 1 1 −1 −1 = 1 1 −1 1
1 1 1 1 , 1 −1 1 1
1 1 1 −1 1 −1 −1 −1
- Trouvez leurs capacités en supposant la connaissance du canal à la fois à
l'émetteur et au récepteur, dont le SNR ρ = 10 dB et la bande passante B = 10
MHz.