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Principales fonctions d’une chaîne RF d’émission • Génération de la fréquence RF (porteuse) • Modulation de la porteuse par le signal à transmettre (audio, vidéo, data) • Amplification de puissance • Transport de l’énergie RF vers l’antenne • Rayonnement d’une onde électromagnétique 10 Principales fonctions d’une chaîne RF de réception • • • • • Captation des signaux (antenne et feeder) Amplification sélective (en fréquence) Sélection du signal utile (filtrage) Démodulation Interface utilisateur (HP, écran, …) 11 Difficultés liées aux fréquences élevées • Effet de peau pertes dans les conducteurs • Pertes dans les circuits magnétiques et les diélectriques • Chute du gain des composants semi-conducteurs avec la fréquence • Éléments parasites dans les circuits (capacités, inductances, couplages) • Difficultés des mesures Outils spécifiques, technologies de pointe 12 Impédance normalisée • Tous les équipements fonctionnant en RF ou en hyper possèdent une impédance d’entrée et/ou de sortie de 50 (75 en vidéo et télévision). • Les interconnexions sont toujours adaptées en impédance de manière à procurer un transfert d’énergie maximal. 13 Expression de la puissance Le domaine de puissance traité en RF ou en hyper est extrêmement étendu: de plusieurs dizaines de MégaWatts pour des émetteurs de radiodiffusion à quelques picoWatts reçus par une antenne de télécommunications par satellites. On préfère donc utiliser des échelles logarithmiques et on exprime la puissance en déciBel par rapport à un niveau de référence de 1milliWatt ou de 1 Watt: P en dBm = 10 log (P en mW) P en dBW = 10 log (P en Watt) P(dBm) = P(dBW) + 30 14 Intérêt de la notation Zo G Ve Pe Zo Zo Pe Ve2 Z0 Ps Vs Ps Vs2 Z0 G(dB)=20log(Vs/Ve)=10log(Ps/Pe) Ps(dBm) = Pe(dBm) + G(dB) 15 Exemple Ant 1 20m TX Perte 0,05 dB/m -3dB Ptx = 10W Ant 2 Puissance rayonnée par l’antenne 1 ? Ptx = 40 dBm Pertes dans le câble = 1dB Pant1 = Pant2 = 40 - 1 - 3 = 36 dBm Pant1 = Pant2 4W 16 Exemple: amplificateur d’antenne TV Ampli 15dB Ampli 30dB 200µVeff 50 ? Filtre -3 dB 800 pW -61 dBm Filtre -6 dB -64 dBm -34 dBm -40 dBm -25 dBm 400pW 400 nW 100nW 3,2 µW 141µV 4,5 mV 2,2 mV 12,6 mV 17 Propagation d’une onde électromagnétique en espace libre 18 Antenne isotrope Définition Antenne ponctuelle qui rayonne de la même manière dans toutes les directions. C’est un modèle théorique de référence qui n’est pas physiquement réalisable. 19 Densité de puissance émise La puissance Pt est distribuée uniformément sur la surface de la sphère La densité de puissance émise à la distance d est S = Pt /4 d² 20 Puissance reçue à la distance d Étant donnée une onde sphérique de densité de puissance S en un point, une antenne placée en ce point captera une certaine puissance Pr, proportionnelle à S. Pr = AS Le coefficient de proportionnalité A, qui a les dimensions d'une aire, s'appelle l'Aire équivalente de l'antenne. Pour l’antenne isotrope l’aire équivalente est: A= ²/4 où est la longueur d’onde La Puissance reçue par l'aérien isotropique à la distance d de la source est : Pr = S ²/4 Soit Pr = Pt( /4 d)² 21 Atténuation en espace libre Atténuation de parcours (en dB) Lp (dB) = 10 log(Pt/Pr) Cas de l’antenne isotrope Pt/ Pr = (4 d/ )² Pt/ Pr = (4 /c)²f²d² =c/f Lp(dB) = 10log (4 /c)²f²d² Lp (dB) = 32,44 +20 log f (MHz) + 20 log d (km) 22 Polarisation de l'Onde On sait qu'à une grande distance des sources l’onde électromagnétique peut être assimilée à une onde plane représentée par deux vecteurs orthogonaux: le champ électrique E et le champ magnétique H. Par convention: la polarisation de l'onde est la direction du champ électrique E. Si le vecteur champ électrique conserve uns direction fixe durant une alternance de l'onde on parle de Polarisation Rectiligne. Polarisation horizontale ou verticale selon que le champ électrique est parallèle ou perpendiculaire à la surface de la terre Lorsque ce vecteur tourne d'un tour complet pendant une alternance, son extrémité décrit alors une ellipse, et on parle de Polarisation Elliptique. Un cas particulier de polarisation elliptique est la Polarisation Circulaire. 23 Antennes polarisées Antenne yagi en polarisation horizontale Dipôles en polarisation verticale 24 Directivité d’une antenne réelle La directivité d'une antenne caractérise la manière dont cette antenne concentre son rayonnement dans certaines directions de l'espace. La directivité peut être définie comme le quotient de l'intensité de rayonnement dans une direction donnée par la valeur moyenne de cette intensité de rayonnement pour toutes les directions de l'espace. On l'exprime de décibels (dB). Une antenne isotrope a une intensité de rayonnement égale dans toutes les directions de l'espace. Sa directivité est nulle (0 dB). 25 Rayonnement directif 1 - Rayonnement Isotrope: rayonnement de même intensité dans toutes les directions, la directivité est nulle 2 - Rayonnement Directif: une direction de rayonnement est privilégiée, la directivité D est le quotient de l'intensité dans cette direction par l'intensité moyenne 26 Diagramme de rayonnement 27 Gain d’une antenne Le gain d'une antenne est le rapport entre la Puissance qu'il faudrait fournir à une antenne de référence et celle qu'il suffit de fournir à l'antenne considérée pour produire la même intensité de rayonnement dans une direction donnée. Le gain est défini pour une fréquence (ou une bande de fréquences) donnée. Antenne directive Yagi 28 Gain isotrope d’une antenne • Si l'antenne de référence est l'antenne isotrope on parle alors de Gain Absolu (dit aussi Gain Isotrope), qui s’exprime en dBi. • Dans le cas où l'on prend comme référence une source étalon réelle, on parle de Gain Relatif, en dB. Si l'antenne est sans pertes, son gain absolu est égal à sa directivité 29 Exemples: antennes yagi L=0,37 G=9,1dBi =2x29° L=1,65 G=13,1dBi =2x20° L=3,14 G=15,3dBi =2x16° 30 Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente (PIRE) On appelle Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente (PIRE) d'une antenne, le produit de la puissance p fournie à l'antenne par le gain isotrope g, c'est à dire : pire = p.g Elle caractérise la puissance rayonnée dans une direction donnée (ou dans la zone couverte). La PIRE est la puissance qu'il faudrait fournir à une antenne isotrope pour produire la même puissance que l'antenne directive dans la direction considérée. On l’exprime en dBm ou en dBW : PIRE (dBW) = 10 log pire (W) = 10 log Pt(w) + 10 log g PIRE (dBW) = Pt (dBW) + G(dBi) 31 PIRE (EIRP) Exemple: PIRE identique produite de deux manières différentes Émetteur 100W Émetteur 0,1W G=1 G=1000 32 Bilan de liaison Il faut tenir compte du gain des antennes d'émission et de réception et des pertes dans les lignes de transmission d (km) Gt TX Lt Pt émetteur Lp Gr RX Lr Pr récepteur Pr(dBm) = Pt(dBm) - Lp(dB) + Gt(dBi) + Gr(dBi) - Lr(dB) - Lt(dB) Pr(dBm) = PIRE(dBm) - Lt(dB) - Lp(dB) + Gr(dBi) - Lr(dB) 33 Liaison WIFI à 2,4 GHz Distance : 3 km Puissance d’émission : 10mW Gain de l’antenne d’émission : 6dBi Pertes dans le câble d’émission : 2dB Gain de l’antenne de réception : 6dBi Pertes dans le câble de réception : 2 dB Calculer la Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente PIRE (dBm) Calculer l’atténuation de parcours La sensibilité du récepteur est –100 dBm, la liaison est elle possible ? 34 Quelle est la portée maximale de l’installation ? Liaison WIFI à 2,4 GHz Distance 3 km 7,9 km 2400 MHz 2400 MHz 10 mW 10 mW Gain antenne émission 6 dBi 6 dBi pertes dans le feeder 2 dB 2 dB Gain antenne réception 6 dBi 6 dBi pertes dans le feeder 2 dB 2 dB dBm 16,00 Fréquence Puissance d'émission PIRE 16,00 Atténuation de parcours 109,59 dB Puissance reçue -91,59 dBm 118,00 -100,00 dBm dB dBm 35 Bruit thermique L’agitation thermique des électrons se traduit par l’apparition d’un bruit blanc, gaussien de valeur moyenne nulle. La puissance de bruit est donnée par : Pb = kTB K : constante de Boltzmann = 1,38.10-23 J/°K T : Température en degrés Kelvin B : Bande passante du système en Hz (B = f) 36 Bruit et bande passante Pour T=290°K et B=1Hz on a: Pb= 1,38.10-23.290 = 4.10-21 W=4. 10-18 mW Soit en dBm: Pb (dB)= 10 log 4.10-18 = -174 dBm Pour une bande passante BW: Pb (dB)= -174 dBm + 10 log BW(en Hz) 37 Facteur de bruit Rapport signal sur bruit S/N C’est le rapport de la puissance du signal S sur la puissance de bruit N Bruit d’un quadripôle Un quadripôle réel génère du bruit. Il dégrade donc le rapport signal/bruit. On le caractérise par son facteur de bruit F Figure de bruit F = (S/N)entrée / (S/N)sortie Facteur de bruit NF = FdB = 10 log[(S/N)entrée / (S/N)sortie] 38 Exemple: Low Noise Bloc LNB: tête de réception télévision par satellite F: 10,7 -12,75 GHz G: 55dB NF: 0,3 dB 39 Modélisation d’un quadripôle Si Ni=kTB T , Ga , F + So=GaSi Ga Sans bruit Na = kTB(F-1) No=Ga(Ni+Na) réel Rapport signal/bruit en sortie So/No= GaSi/Ga(Ni+Na) = Si/(Ni+Na) Figure de bruit F= (Si/Ni)/(So/No) = SiNo/NiSo = (Ni+Na)/Ni Puissance de bruit du quadripôle en entrée Na = Ni(F-1) = kTB(F-1) 40 Puissance de bruit en sortie Si Ni So Ga , F , T No F= (Si/Ni)/(So/No) = SiNo/NiSo = SiNo/NiGaSi F= No/GaNi No = GaFNi = GaFkTB No (dBW) = Ni (dBW) + Ga (dB) + NF (dB) Ni (dBW) = 10 log kTB 41 Exemple T=290°K So No Si=-10dBm G=15dB NF=3dB BW=1MHz Calculer le rapport signal/bruit en entrée et en sortie Puissance de bruit en entrée: Ni = -174 + 10log (1e6) = -114 dBm Puissance de bruit en sortie: No = Ni + G + NF = -114 + 15 + 3 = -96 dBm Puissance du signal d’entrée: Si = -10 dBm Puissance du signal de sortie: So = -10 + 15 = 5 dBm Si/Ni = -10 – (-114) = 104 dB So/No = 5 –(-96) = 101 dB Le rapport signal/bruit s’est dégradé de 3 dB = NF 42 Figure de bruit d’un système à plusieurs étages Si G1 F1 Ni N1 G2 F2 S2=G1G2Si N2 Puissance de bruit à la sortie du premier étage N1=G1NiF1 Puissance de bruit à la sortie du second étage N2 = G2(N1 + Ni(F2 - 1))= G2Ni(G1F1 + F2 - 1) F = (Si/Ni)/(S2/N2)= SiN2/S2Ni=SiN2/SiG1G2Ni F = G2Ni(G1F1 + F2 - 1)/G1G2Ni = F1 + (F2 – 1)/G1 Si G1 est grand, c’est le premier étage qui conditionne le facteur de bruit du système 43 Température de bruit Si Ni + Ga , F Na = kTB(F-1) So No Puissance de bruit en sortie No = Ga(Ni +Na) = Ga[kTB +kTB(F-1)] = GakB[T + T (F-1)] On pose Ta = T(F-1) T: Température en °K F: Figure de bruit du quadripôle Ta est la Température de bruit du quadripôle La température de bruit est une autre manière de caractériser un dispositif. Dans un système, les températures de bruit s’ajoutent. 44 Température de bruit d’une antenne La Température de bruit d'une antenne a une grande importance pour les antennes utilisées en réception, notamment lorsqu'elles captent un signal provenant d'un satellite. On la définit comme : Tant = Pb/kB où Pb est la puissance de bruit disponible à l'entrée du récepteur en Watt, K la constante de Boltzmann soit 1,38.E-23 Joules/°C et B la largeur de bande du récepteur en Hz. Si l'antenne est parfaite, ce bruit provient des sources de bruit externes, célestes ou terrestres. 45 Exemples de températures de bruit mesurées à 9,5GHz Le sol se comporte comme un corps noir à 290°K 46 Rapport porteuse à bruit En espace libre on a: Puissance du signal reçu : Pr = PIRE . Gr( /4 d)² Puissance de bruit totale : Pb = k(Tant + Trx)B Gr Pr C PIRE 1( )² Pb N (Tant Trx) kB 4 d G/T : Facteur de mérite du système de réception 47 Rapport porteuse à bruit Gr Pr C PIRE 1( )² Pb N (Tant Trx) kB 4 d Soit en dB: C N ( dB ) PIRE( dBW ) L ( dB ) P Gr( dBi ) 10 log(Tant Trx) 10 log B 228,6 Lp=10log(4 d/ )² atténuation en espace libre Trx=Tamb(F-1) F : figure de bruit du récepteur Gr: gain isotrope de l’antenne de réception -23 10logK=-228,6 K=1,38 . 10 48 Bilan de réception du satellite de télévision ASTRA 19,2°EST Marseille: lat 43°N, long 5°E d=38 100 km Satellite: F=11GHz Pt=100W Gt=30dBi Antenne de réception: parabole =80cm Gr=36dBi Tant= 80°K Récepteur: NF=1dB BW=36MHz Tamb=300°K (27°C) Calculer le rapport porteuse/bruit C/N 49 Bilan de réception du satellite de télévision ASTRA 19,2°EST C N ( dB ) PIRE( dBW ) L ( dB ) P Gr( dBi ) 10 log(Tant Trx) 10 log B 228,6 PIRE=10log(Pt) +Gt = 50dBW Lp=32,44 +20 log f (MHz) + 20 log d (km)=204,9dB Figure de bruit du récepteur F=10^NF/10 = 1,26 Temp. de bruit du récepteur Trx=Tamb(F-1)=77,7°K Temp. de bruit du système Tsys=Tant + Trx =157,7°K C/N = 50 - 204,9 + 36 - 10log(157,7) - 10log(36e6) + 228,6 C/N = 12,17 dB 50 Rapport signal /bruit 51 Sensibilité du récepteur Le bruit limite la sensibilité. La sensibilité est définie comme la puissance du signal en entrée au seuil de détectabilité (défini par un certain rapport signal/bruit) Sensibilité = Nentrée F (S/N)désiré en sortie Nentrée = kTB puissance de bruit en entrée du récepteur F : figure de bruit du récepteur (valeur linéaire) Sensibilité(dBW) = 10log(kTB) + F(dB) + (S/N)désiré (dB) Pour T=290°K et B=1Hz N=-174dBm 52 Exemple Soit un récepteur de bande passante 1MHz, de facteur de bruit de 20dB à la température de 17°C. On désire un rapport signal sur bruit de 6dB en sortie ; Quelle est sa sensibilité ? 53 Correction PARAMETRES Température 17 °C Bande passante 1,00 MHz Facteur de bruit 20 dB Rapport signal/bruit désiré 6 dB RESULTATS Température Puissance de bruit Ne 290 °K 4,00E-15 W -143,98 dBW -113,98 dBm Sensibilité -117,98 dBW -87,98 dBm 54