reoIntroduction

I- Étude "électronique et signal" de l'application radio1- Introduction2- Architecture des circuits émetteurs-récepteurs dans les applications RF

a- Les amplificateurs :a.1- Le PA ( Power Amplifier )a.2- Le LNA (Low Noise Amplifier)

b- Le mélangeur c- L'oscillateur contrôlée en tension (VCO)

3- La norme 802.11b4- Les modulations utilisées

a- Modulation de fréquence b- Modulation de phasec- Les codages en bande de based- Les modulations (PSK ...)

5- Le multiplexagea- Le multiplexage fréquentiel FDM (Frequency Division

Multiplexing)b- Le multiplexage temporel TDMA (Time Division Multiplexing

Access)c- Le multiplexage statistique ATDM (Asyncronous Time Division

Multiplexing)d- Le Multiplexage WDM/DWDM (Wavelength Division Multiplexing)

/(Dense Wavelength Division Multiplexing)

II- Étude théorique + état de l'art du circuit RF1- Les Oscillateurs Contrôlés en Tension : VCOs2- Fonctionnement :

a- Condition général d'oscillationb- Condition sur le démarrage des oscillations. c- Conditions de stabilité

I- Étude "électronique et signal" de l'application radio(bande de fréquences, puissance d'émission, portée, modulation, débit, architecture des circuits d'émission/réception...)

IntroductionLes systèmes de radio communication fonts partis des enjeux de nos sociétés actuelles.

En effet il est désormais primordial de pouvoir communiquer et échanger des données par voie aérienne, en tout temps et en tout lieux.

Ainsi en quasi permanence il est possible de se connecter à différents réseaux informatiques. En fonction de leur portée, on en distinguera 4 types :

Réseaux sans fils personnels WPAN : Wireless Personal Aera Networks.

Réseaux sans fils locaux WLAN : Wireless Local Aera Networks.

Réseaux sans fils métropolitains WMAN : Wireless Metropolitain Area Networks.

Réseaux sans fils nationaux WWAN : Wireless Wide Area Networks.

Les différents types de technologies utilisées suivants les normes imposées par L’European Telecommunications Standards Institute (ETSI) sont les suivantes :

Architecture des circuits émetteurs-récepteurs dans les applications RFLa communication entre deux systèmes Radio Fréquence s'articule autour de trois sous-

systèmes : le système émetteur, le canal de transmission et le système récepteur. Dans certaines applications, les systèmes d'émission et réception sont réunis pour former un transceiver.

Le canal de transmission peut être :

Filaire : Il permet de faire circuler une grandeur électrique sur un câble généralement métallique.

Aérien : Il permet la circulation d'ondes électromagnétiques ou radioélectriques dans l'air ou le vide.

Optique : Il permet d'acheminer les informations sous forme lumineuse.

Dans le cas du wifi la transmission des données se fait sans fil. Le schéma ci-dessous présente l'environnement des circuits d'émission-réception RF. Cette structure est dite hétérodyne.

GPRS,

BLR (Boucle Local Radio)

WiMax

Infrarouge

figure : Chaîne d'émission et de réception des circuits radiofréquences

Composition de la chaîne d'émission :-D'un modulateur.- Un amplificateur BF.-Filtre FI.-D'un mélangeur (mixer).-D'un amplificateur de puissance PA (Power amplifier)..-D'une antenne.

Composition de la chaîne de réception :-D'une antenne.-D'un filtre d'antenne qui élimine les signaux indésirable captés à la réception.-D'un amplificateur LNA (Low Noise Amplifier).-D'un mélangeur.-Un ampli FI amène le signal au niveau de puissance nécessaire pour la démodulation.-Un démodulateur.

Les amplificateurs :Le PA ( Power Amplifier )

L'amplificateur de puissance est placé dans la chaîne d'émission pour fournir le maximum de puissance au signal émis afin qu'il arrive intact. Dernier élément de la chaîne d'émission avant l'antenne, c'est l'élément dont la consommation est la plus importante et dont la linéarité est un critère important pour assurer la qualité de la transmission. Á faible niveau, le fonctionnement de l'amplificateur est proche du fonctionnement linéaire. Cependant, à fort niveau les signaux de sortie sont sujet à des distorsions dues aux conversions d'amplitude et de phase. Les sources de courants sont principalement responsables de la variation d'amplitude du signal de sortie en fonction du niveau signal d'entrée.

Les amplificateurs de puissance sont classées en différentes catégories : classe A,B, AB, C, D, E, F, G, H et S. Les critères de choix d'une classe d'amplificateur sont : le rendement, la puissance de sortie, la puissance maximal que peut dissiper l'élément actif, le gain (tension et puissance), la fréquence maximal de travail et la distorsion.

Pour l'application wifi il est important d'avoir des amplifications permettant délivrer un signal proportionnel à celui de l'entrée. Ainsi celui-ci doit présenter des bonnes caractéristiques du point de vue de la linéarité.

Malgré un rendement plutôt faible , l'amplificateur de puissance utilisée dans l'émission wifi est de classe AB. Cette classe est un compromis entre la classe A et la classe B : le point de repos de l'amplificateur se situe entre celui d'un amplificateur de classe A et celui d'un amplificateur de classe B. Cette méthode de polarisation permet à la classe AB de fonctionner en classe A (peu de distorsion, mauvais rendement) pour les signaux de faible amplitude puis de se comporter comme un amplificateur de classe B (beaucoup de distorsion, meilleur rendement) pour les signaux se forte amplitude. Tout comme pour les amplificateurs de classe B, les amplificateurs de classes AB sont souvent utilisés en configuration push-pull afin de diminuer le taux de distorsion lors de l'amplification de signaux de forte amplitude.

Le LNA (Low Noise Amplifier)Suivant la distance séparant l'émetteur du récepteur, le signal électrique capté par

l'antenne atténué. Le signal reçus est alors de très faible amplitude (très proche du bruit), il est donc nécessaire d'amplifier le signal sortant de l'antenne afin qu'il puisse être traité par le reste de la structure de réception.

Le dispositif utilisé pour réaliser cette amplification est un amplificateur faible bruit (LNA de l'anglais Low Noise Amplifier). C'est un dispositif électronique chargé de mettre en forme des signaux très faibles en provenance d'une antenne sans apporter de bruit supplémentaire. Il est souvent placé à proximité du capteur, de manière à minimiser les pertes en ligne. Pour cette raison, il est parfois nommé préamplificateur.

figure : Amplificateur de puissance RF

cos (2πFpt)

cos (2πFot)

mixer

cos (2π(Fp+Fo)t)+cos (2π(Fp-Fo)t)

RF IF

OL

figure : Amplificateur LNA

Le mélangeur appelé aussi mixer permet de combiner plusieurs signaux contenant des informations différentes. Le processus de mélange est intrinsèquement non linéaire, il permet le transfert d'énergie d'une fréquence d'entrée vers un fréquence de sortie à l'aide d'un second signal d'entrée, provenant de l'oscillateur local. Le mélangeur modifie la fréquence centrale du signal modulé et la transpose à une fréquence intermédiaire FO égale à Fo-Fp avec Fo la∣ ∣ fréquence provenant de l'oscillateur local et Fp la fréquence de la porteuse.

Figure : Représentation du mixer avec un exemple des signaux qui lui sont associer.

figure : Répartition des fréquences de la porteuse et de l'oscillateur local, avant et après le mixer.

On peut utiliser le même mixer à l'émission et à la réception, ce sera ensuite le travail des filtres de sélectionner le signal intéressant suivant si on est en émission ou réception.

L'oscillateur contrôlée en tension (VCO)Le VCO génère en sortie un signal à la fréquence Fo proportionnel à la tension d'entrée

qu'on lui applique. Pour avoir une fréquence stable en sortie il est donc nécessaire d'avoir des signaux d'entrée faiblement bruités.

F

P

Fp-Fo Fp+FoFp Fo

Filtre à laréception

Filtre à l'émission

figure : Représentation du synthétiseur composé du signal d'entrée, de la boucle PLL, d'un filtre et du VCO.

Il est très courant pour un récepteur de couvrir dans sa bande d'accord totale un grand nombre de canaux. On conçoit donc que l'oscillateur local devra être capable de changer de fréquence de sortie, afin de recevoir n'importe quel canal. Il faut remarquer que la totalité des applications de communication associe à l'oscillateur libre (sa fréquence est fixée par un simple circuit résonnant) un synthétiseur de fréquence, afin de former une boucle à verrouillage de phase. Cette boucle , programmable numériquement, permet de choisir la fréquence avec des résolutions qui dépendent du type de synthétiseur et de la source de référence (généralement un oscillateur à quartz). Hormis la puissance et la fréquence d'accord de l'oscillateur, d'autres caractéristiques sont importantes. On peut notamment citer la stabilité en fréquence à court terme (fluctuation rapides dans le temps qui se caractérisent par un bruit de phase) et à long terme (fluctuations lentes, supérieurs à la seconde, dues à la variation de température, au vieillissement des composants, ...).

Ils existe donc beaucoup de type d'oscillateurs. Toutefois quelle que soit l'application, les caractéristiques minimales demandées pour une source utilisée dans les dispositifs de communications sont les suivantes :

* Une bonne puretés spectrales (harmoniques réduits) ;* Un bruit de phase faible (stabilité de la raie dans le temps);* Être variable en fréquence pour être associé à un synthétiseur.

Les VCOs sont donc présents à l'émission comme à la réception au niveau des oscillateurs locaux. Leur rôle est la génération d'une fréquence de référence (à la réception) ou encore la génération de la fréquence de modulation du signal à émettre.

Remarque : Les VCOs sont aussi utilisés en électronique numérique pour la transmission de données. En effet la conversion des informations <<1>> OU <<0>> en fréquences est aisé par l'applications des tensions correspondantes aux bornes d'un VCO. On obtient donc deux fréquences différentes pouvant ensuite être émises.

La norme 802.11b

En 1998 arrive la norme 802.11b, la plus utilisée actuellement, qui autorise un débit théorique de 11Mbits/s (6Mits/s en débit pratique). Certains constructeurs proposent un débit de 22Mbits/s (« double rate ») sur cette norme. Cela engendre une non compatibilité avec les autres matériels à 11Mbits/s.

C’est cette norme que l’on connaît sous le nom Wi-Fi, marque déposée par WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) avec le tiret qui devient ensuite Wi-Fi aliance. C’est un regroupement des principales entreprises informatiques. http://www.weca.net

La norme est soit disant « indépendante » des constructeurs mais elle doit être certifiée par le WECA pour pouvoir se développer ...

Deux modes opératoires sont définit :

Le mode infrastructure dans lequel les clients sans fils sont connectés à un point d'accès. Il s'agit généralement du mode par défaut des cartes 802.11b.

Le mode ad hoc dans lequel les clients sont connectés les uns aux autres sans aucun point d'accès.

Elle propose un débit correct et une portée sans obstacle de 300m. De plus du fait de la libération des bandes hertziennes utilisées il n’est pas nécessaire de faire une déclaration auprès des autorités gouvernementales pour son utilisation dans des locaux fermés avec une puissance maximale de 100mW. L’émission se fait en séquence directe (longueur d’onde constante).

En effet, le terme Direct indique que seul un canal est utilisé pour l’émission des signaux. Si ces derniers rencontrent un obstacle, il n’y a pas de moyen de correction, il y aura une erreur. Ces pertes engendrent un grand nombre de messages de correction d’erreur chargeant d’autant la bande passante d’où le faible débit. La méthode de détection des pertes est proche de ce que l’on trouve sur la norme 802.3 (topologie Bus). En effet, la détection se fait grâce à la méthode CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Acces/Collision Avoidance) tandis que sur la topologie bus on parle de CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acces/Collision Detection). Le fonctionnement de ces deux technologies est donc très proche. Pour le sans-fil le principe est de dire que le paquet est perdu à partir du moment où la réponse du récepteur indiquant que ce paquet est bien arrivé n’est pas reçu par l’émetteur dans un laps de temps borné et définit.

Remarque :Si vous voulez mettre un accès à l’extérieur, seuls les canaux 10 à 14 sont autorisés et la puissance ne peut dépasser 10mW.

Remarque :La puissance d’émission dépend en fait de la puissance de l’antenne. C’est pour cela que l’ART (Association de Régulation des Télécommunications) prend une autre mesure en compte qu’elle appelle PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente). Certaines antennes proposent une puissance de 30mW mais qui correspond en fait à une puissance de 100mW PIRE. C’est cette puissance PIRE qui est prise en compte.

La norme 802.11b fonctionne dans la bande des 2,4GHZ à 11Mbits/s sur une distance maximale de 300 mètres. Toutes ces mesures sont théoriques. La pratique renvoie des performances bien moindres. Cette bande est divisée en 14 canaux chacun séparé de 5MHZ. Les cartes Wi-Fi scrutent ces bandes afin de déterminer s’il existe des points d’accès et en cas de multiples points d’accès elles se calent sur celle qui propose le signal le plus fort.

Canal 1 2 3 4 5 6 7Fréquenc

e GHz2,412 2,417 2,422 2,427 2,432 2,437 2,442

Canal 8 9 10 11 12 13 14Fréquenc

e GHz2,447 2,452 2,457 2,462 2,467 2,472 2,477

Remarque :Si vous augmentez la puissance de votre antenne, ou si vous êtes des conditions extrémements favorables, les limites indiquées par les normes peuvent être dépassées mais dans ce cas vous ne respectez plus les termes de la norme. Les normes n’indiquent pas les limites maximales possibles mais les limites en utilisation « normales ».

L’ART (Autorité de Régulation des Télécommunications) résume cela avec le schéma et le tableau suivants (Pour les DOM et TOM il y a des différences).

Les puissances PIRE autorisées sont les suivantes (sur la bande des 2,4GHZ).

Usage privée

Respecter les conditions techniques

Usage public

Pas de démarche

Raccordement direct des bornes àun réseau public déjà autorisé

ex : cybercafé, partage d'accès ...

Établissement d'un réseau pour relier les bornes RLAN

Simple déclaration à l'ART

Ex : Réseau d'une entreprise, usage domestique

Ex : Projets de développement local, Aménagement d'un centre d'affaire par un nouvel opérateur

Fréquence en MHz Intérieur Extrieur2400

2454

100mW 100mW

2483,5 10mW

Lors d’une installation Wi-FI, la valeur des bandes passantes et le réglage des points d’accès sont très importants. En effet, avec une bande passante de 11Mbits/s et suivant le théorème de Shannon, le spectre d’émission peut atteindre 22MHZ. Ceci implique que si vous possédez deux bornes dont les émissions peuvent se situer dans les mêmes zones géographiques, vous aurez des interférences ce que l’on appelle overlapping.

Il faut donc régler les canaux de telle sorte que ceux qui se trouvent proches soient séparés au minimum de 22MHZ. Pour trois bornes vous pouvez ainsi utiliser les canaux 1, 6 et 11.

Il faut aussi prendre en compte dans ce cas, le roaming qui correspond au temps de latence pour que votre communication s’effectue lors d’un passage d’une borne à une autre. Plus ce temps de latence est grand moins la qualité de votre réseau sera bon.

Les modulations utilisées

Modulation de fréquence

La norme IEEE 802.11 propose 2 techniques de modulation de fréquence pour la transmission de données issues des technologies militaires. Ces techniques sont appelées étalement de spectre. Elles consistent à utiliser une bande de fréquence large pour transmettre des données à faible puissance

Ainsi le codage des ondes est réalisé grâce à la modulation DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Á l'intérieur d'un canal, l'étalement de spectre est obtenu en multipliant chaque bit du signal à transmettre avec un signal de << bruit>> (une séquence pseudo aléatoire) de fréquence plus élevée. La séquence choisie, appelée séquence de Barker, est composée de 11 chips (10110111000) et possède des propriétés particulières d'autocorrélation qui font que lorsque le récepteur à son tour multiplie le signal reçu avec la séquence, il retrouve le message initial :

Le signal ainsi modifié est ensuite modulé en phase avec une modulation à deux états

(BPSK-Binary Phase Shift Keying) ou à quatre états (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying) qui permettent respectivement d'atteindre les débits 1 et 2 Mbps.

Le problème de ce codage est qu’il y a de nombreuses pertes de données dues notamment aux obstacles.

Il existe aussi la méthode CCK (Complementary Code Keying)qui permet d'encoder directement plusieurs bits de données en une seule chip, en utilisant 8 séquences de 64 bits. Ainsi en codant simultanément 4 bits, la méthode CCK permet d'obtenir un débit de 5,5 Mbps et il est aussi possible d'atteindre un débit de 11Mpbs en codant 8 bits de données.

Modulation de phaseLa norme 802.11b utilise une technique de modulation de phase appelée PSK (Phase

Shift Keying). Chaque bit produit une rotation de phase ( par exemple une phase de 0° code 0 et une de 180° pour coder le 1). Une rotation de 180° permet de transmettre des débits peu élevés (BPSK-Binary Phase Shift Keying) alors qu'une série de 4 rotations de 90° (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying) permet des débits deux fois plus élevés. Transmission en bande de base1.1 Transmission numérique et transmission analogique

Il convient de bien différencier l'information de la transmission. L'information est représentative de faits, de données. Ces données peuvent être d'origine analogique ou numérique représentées par une suite binaire.

Une information analogique peut être numérisée, par exemple la vidéo. Et inversement, des données numériques peuvent être transformées en signaux analogiques. Un signal est dit

Donnéesd(t)

Séquence de Barker b(t)

d(t) -b(t)

"numérique" lorsque son amplitude ne prend que des valeurs discrètes par intervalle. Il est dit "analogique" lorsque son amplitude varie de manière continue dans le temps.

Le signal binaire n'est généralement pas transmis directement sur la ligne et différents codages numériques sont utilisés pour différentes raisons : la récupération de l'horloge nécessaire en transmission synchrone est facilitée par des séquences qui présentent des changements d'état fréquents et évitent ainsi les longues suites de 1 ou de 0. Le spectre d'un signal binaire est concentré sur les fréquences basses (BF) qui sont les plus affaiblies sur la ligne. Les perturbations subies par un signal sont proportionnelles à la largeur de sa bande de fréquence.

La transmission est dite en "bande de base" si elle ne subit aucune transposition de fréquence par modulation. Les fréquences initiales du signal émis sont donc préservées. La transmission en bande de base ne peut donc, par essence, être utilisée que sur support cuivre. Les signaux en bande de base sont sujets à une atténuation dont l'importance dépend du support employé et doivent donc être régénérés périodiquement sur une longue distance. Une autre caractéristique de la bande de base est l'impossibilité de différencier plusieurs communications sur un même support.

Par exemple, notre paire de cuivre a une bande passante de 300 Hz à 3400 Hz, donc tous les signaux de fréquence inférieure à 300 Hz ou supérieure à 3400 Hz seront éliminées. L'affaiblissement du signal est tel qu'au delà de 5 Km il est difficilement exploitable.

1.2 Les codages en bande de base

Voici quelques exemples de codages non détaillés de l'information pour une transmission en bande de base, et l'exemple plus détaillé du codage MTL3 utilisé sur les supports tels que le 10/100 Base TX ou le 100 Base T4, notre 4 paires de cuivre torsadées.

Le code tout ou rien : c'est le plus simple, un courant nul -V code le 0 et un courant positif +V indique le 1.

Le code RZ : le 0 est codé par un courant nul et le 1 par un courant positif qui est annulé au milieu de l'intervalle de temps prévu pour la transmission d'un bit.

Le code NRZ (Non Return Zéro) : très proche du code binaire, et pour éviter la difficulté à obtenir un courant nul, on code le 1 par un courant positif et le 0 par un courant négatif.

Le code NRZI (Non Return Zero inverse) : on produit une transition du signal pour chaque 1, pas de transition pour les 0. Le débit binaire est le double de la fréquence maximale du signal : on transmet deux bits pour un hertz.

Le code AMI (Alternate Mark Inversion) : le code bipolaire, c'est aussi un code tout ou rien dans lequel le 0 est représenté par un courant nul, mais ici le 1 est représenté par un courant alternativement positif ou négatif pour éviter de maintenir des courants continus.

Le code Manchester : ici aussi le signal change au milieu de l'intervalle de temps associé à chaque bit. Pour coder un 0 le courant sera négatif sur la première moitié de l'intervalle et positif sur la deuxième moitié, pour coder un 1, c'est l'inverse. Autrement dit, au milieu de l'intervalle il y a une transition de bas en haut pour un 0 et de haut en bas pour un 1. Le codage Manchester présente un inconvénient : il nécessite un débit sur le canal de transmission deux fois plus élevé que le codage binaire. Pour 10 Mbit/s transmis, on a

besoin d'une fréquence à 10 MHz. Son utilisation est l'Ethernet sur le support 10 base T, 10 base 2 et 10 base 5, notre paire de cuivre torsadée et les coaxiaux.

Le code Miller : on diminue le nombre de transitions en effectuant une transition (de haut en bas ou l'inverse) au milieu de l'intervalle pour coder un 1 et en n'effectuant pas de transition pour un 0 suivi d'un 1. Une transition est effectuée en fin d'intervalle pour un 0 suivi d'un 0.

Le code MLT3 : seuls les 1 font changer le signal d'état. Les 0 sont codés en conservant la valeur précédemment transmise. Les 1 sont codés successivement sur trois états : +V, 0 et -V. Exemple pour une suite binaire : 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1.

Codage en bande de base MLT3

Le principal avantage du codage MLT3 est de diminuer la fréquence nécessaire pour un débit donné grâce à l'utilisation de 3 états. Pour 100 Mbps de débit, une fréquence maximale du signal de 25 MHz seulement est atteinte. Son utilisation est le Fast Ethernet sur le support 100 Base TX et 100 Base T4, notre 4 paires de cuivre torsadées. L'inconvénient est les longues séquences de 0 qui peuvent entraîner une perte ou un déphasage de l'horloge du récepteur.

1.3 Les modulations

Si deux signaux présentent dans un circuit des harmoniques communs ou voisins, il y a brouillage. Certains signaux présentent théoriquement un nombre infini d'harmoniques cette limitation déforme le signal, il y a distorsion. Il est donc utile de connaître les deux représentations du signal :1. L'amplitude en fonction du temps (visible grâce à un oscilloscope à balayage linéaire).2. Les amplitudes du fondamental et des harmoniques en fonction de leur fréquences : le spectre du signal (visible grâce à un analyseur de spectre).

Les signaux à transmettre (par exemple téléphonie, données et télévision) sont à des fréquences souvent impossibles à transmettre directement sous forme radioélectrique. Si on le pouvait, il y aurait un brouillage généralisé entre messages. D'où la nécessité de la modulation qui permet de transmettre le signal sur une fréquence radioélectrique appelée "porteuse" et permettant la transmission à distance et sans brouillage.

Si la porteuse peut être isolée par le récepteur, la modulation d'une fréquence porteuse fait apparaître un spectre dont il faut tenir compte pour la bande passante des circuits et des câbles et pour la protection contre les brouillages. Nous avons vu plus haut que le principal problème de la transmission en bande de base est la dégradation du signal très rapide en fonction de la distance parcourue, elle n'est donc utilisée qu'en réseau local (moins de 5 Km). Il serait en effet trop coûteux de prévoir des répétiteurs pour régénérer régulièrement le signal. C'est pourquoi sur les longues distances on émet un signal sinusoïdal qui, même s'il est affaibli, sera facilement décodable par le récepteur. Ce signal sinusoïdal est obtenu grâce à un modem (modulateur-démodulateur) qui est un équipement électronique capable de prendre en entrée un signal en bande de base pour en faire un signal sinusoïdal (modulation) et l'inverse à savoir restituer un signal carré à partir d'un signal sinusoïdal (démodulation). Autrement dit, il permet de passer de signaux numériques discrets (0 ou 1) à des signaux analogiques continus.

La modulation est donc la variation périodique du signal sinusoïdal porteur par le signal modulant à transmettre ; il est donc possible de faire varier l'amplitude de façon continue ou (discontinue, modulation par impulsion), la fréquence et la phase instantanée.

Une porteuse sinusoïdale possède trois paramètres qui sont l’amplitude, la fréquence et laphase. Ces trois grandeurs sont toutes susceptibles de modulation par déplacement :– la modulation par déplacement d’amplitude ASK– la modulation par déplacement de fréquence FSK– la modulation par déplacement de phase PSK.Dans un message numérique, deux états sont à coder, le 0 et le 1 logiques. Ces di érentesffmodulations consistent donc en les opérations suivantes :– ASK : Coder le 0 par une amplitude de signal égale à 0, et le 1 par une amplitude A.– PSK : Coder le 0 par une phase de référence égale à 0, et le 1 par une phase de 180.– FSK : Coder le 0 par une fréquence f1, et le 1 par une fréquence f2.

Le but de la manipulation est d’observer les di érents types de modulation, leurs encombre-ffments spectraux à l’aide de la FFT de l’oscilloscope, leurs avantages et inconvénients afin dedéterminer dans la conclusion quelles peuvent être leurs utilisations respectives.

5. Le multiplexage

Le multiplexage consiste à faire transiter sur une seule et même ligne de liaison, dite voie haute vitesse, des communications appartenant à plusieurs paires d'équipements émetteurs et récepteurs. Chaque émetteur (récepteur) est raccordé à un multiplexeur (démultiplexeur) par une liaison dit voie basse vitesse.

Plusieurs techniques sont possibles :

5.1 Le multiplexage fréquentiel FDM (Frequency Division Multiplexing)

Il consiste à affecter à chaque voie basse vitesse une bande passante particulière sur la voie haute vitesse en s'assurant qu'aucune bande passante de voie basse vitesse ne se chevauche. Le multiplexeur prend chaque signal de voie basse vitesse et le remet sur la voie haute vitesse dans la plage de fréquences prévues. Ainsi, plusieurs transmissions peuvent être faites simultanément, chacune sur une bande de fréquences particulières, et à l'arrivée le démultiplexeur est capable de discriminer chaque signal de la voie haute vitesse pour l'aiguiller sur la bonne voie basse vitesse.

5.2 Le multiplexage temporel TDMA (Time Division Multiplexing Access)

Il partage dans le temps l'utilisation de la voie haute vitesse en l'attribuant successivement aux différentes voies basse vitesse même si celles-ci n'ont rien à émettre. Suivant les techniques chaque intervalle de temps attribué à une voie lui permettra de transmettre 1 ou plusieurs bits.

5.3 Le multiplexage statistique ATDM (Asyncronous Time Division Multiplexing)

Il améliore le multiplexage temporel en n'attribuant la voie haute vitesse qu'aux voies basse vitesse qui ont effectivement quelque chose à transmettre. En ne transmettant pas les silences des voies basses, cette technique implantée dans des concentrateurs améliore grandement le débit global des transmissions mais elle fait appel à des protocoles de plus haut niveau et est basée sur des moyennes statistiques des débits de chaque ligne basse vitesse.

5.4 Le Multiplexage WDM/DWDM (Wavelength Division Multiplexing)/(Dense Wavelength Division Multiplexing)

A l'inverse de la technologie TDM qui n'utilise qu'une seule longueur d'onde par fibre optique, la technologie WDM met en œuvre un multiplexage de longueurs d'onde. L'idée est d'injecter simultanément dans une fibre optique plusieurs trains de signaux numériques sur des longueurs d'onde distinctes. La technologie WDM est dite DWDM lorsque l'espacement utilisé est égal ou inférieur à 0,8 nm ou lorsque plus de 16 canaux sont utilisés. Des tests ont déjà été effectués avec des espacements de 0,4 et 0,2 nm.

II- Étude théorique + état de l'art du circuit RF(Fonctionnement, type d'architecture-circuit, choix du transistor, technologie, microélectronique, performance, consommation ...)

Introduction

Que ce soit depuis les très basses fréquences jusqu'aux fréquences hyper les mécanismes de démarrage et donc les conditions d'oscillation sont bien évidemment les mêmes puisqu'ils correspondent aux mêmes phénomènes physiques. Toutefois, selon les fréquences de travail, ces conditions sont exprimées de façon différentes. En hyperfréquences, elles sont généralement exprimées à l'aide du formalisme des paramètres S. Nous pourrons faire également le lien avec les mêmes conditions d'oscillation exprimées en impédances puis avec le critère de Barkhausen valable pour n'importe quel système bouclé mais pour des conditions particulières d’impédance. En général, on s’intéresse à quatre grandeurs fondamentales lorsqu’on étudie un oscillateur :

Condition d’entretien des oscillations et stabilité de l’oscillateur Fréquence d’oscillation et plage d’accord Bruit de phase Puissance délivrée

Les deux premières grandeurs seront obtenues par une approche petit signal, c’est à dire que les paramètres du schéma électrique équivalent ont des valeurs qui ne dépendent pas du niveau d’oscillation. Typiquement, on utilise les paramètres S ou les paramètres impédance. Les deux dernières font intervenir les non-linéarités de l’élément actif et doivent, en toute rigueur, être traitées par une approche grand signal.

Les Oscillateurs Contrôlés en Tension : VCOs

Les oscillateurs contrôlés en tension ont pour fonction comme leur nom l’indique de transformer une tension appliquée sur l’entrée en un signal modulé en fréquence en sortie. Ils sont utilisés dans les systèmes de communications. Ils ont plusieurs applications telles que la génération d’une fréquence de référence ou encore la modulation du signal à émettre.

Fonctionnement

Condition général d'oscillationL'oscillateur étant constitué de composants actifs et passifs, il est toujours possible de le mettre sous la forme générale d'un multiport actif et d'un multiport passif , chacun étant caractérisé par sa matrice S :

En exprimant les ondes entrantes et sortantes en fonction des paramètres S, on a :

[b] = [S][a][b'] = [ S'] [a']

Si on établit la connexion entre les deux multiports (port i connecté au port i'), on peut écrire :

[b] = [a'][a] = [b']

Dans ce cas, il vient :

{[S][S']-[1]}[a'] = 0

La condition d'oscillation généralisée s'écrit :

det {[S][S']-[1]} = 0

Application à un 1-port (dipôle) :

Représentation d'un oscillateur par deux dipôles

Ce qui donne une condition sur la puissance et une condition sur la phase du signal renvoyé par le dipôle actif par rapport aux mêmes quantités exprimées pour le résonateur.Dans ce cas :

[S'] = Γp[S] = Γa

La condition d'oscillation en paramètres S s'écrivant :

Γp.Γa - 1 = 0

Nous pouvons exprimer :

Γa = Za−Z 0Za+Z 0 et Γp =

Zp−Z 0Zp+Z 0

( Z0 = impédance caractéristique réelle )

d'où : Za−Z 0Za+Z 0

. Zp−Z 0Zp+Z 0

- 1 = 0

=> Zp + Za = 0

Les impédances étant complexes, on obtient deux équations qui doivent être vérifiées simultanément :

On doit donc vérifier à l'oscillation :

Il est alors possible de donner une représentation équivalente de l'oscillateur comprenant une maille avec deux dipôles :

Représentation de l'oscillateur par deux dipôles.

Condition sur le démarrage des oscillations. Un oscillateur démarre sur du bruit thermique (bruit thermique aux bornes de n'importe quel élément engendrant une tension aléatoire) ou du bruit de commutation (pulse généré lors de la commutation de l'alimentation par exemple). Ce signal de bruit possède un spectre très large contenant toute les fréquences d'oscillations permises par le composant actif. Toutefois, seul la fréquence pour laquelle les équations du circuit vérifies les conditions de Barkhausen sera amplifiée.On peut représenter l'oscillateur comme un amplificateur rebouclé entre l'entrée et la sortie par un résonateur :

Représentation d'oscillateur par un amplificateur rebouclé.

Le signal Vi est le signal de bruit à spectre large. A la sortie de l'amplificateur, il est amplifié. Une partie est prélevée pour être réinjectée dans le résonateur qui va le filtrer donc qui va le diminuer en amplitude mais aussi qui va le déphaser (correspondant à sa fonction de transfert en amplitude et en phase du résonateur en transmission). On a donc après un tour de boucle un signal Vo de bruit filtré et dont l'amplitude a été augmentée. On doit donc avoir un gain en boucle ouverte Vo/Vi supérieur à 1 en module et égal à 0° en phase pour que l'oscillation grandisse. On peut représenter les gains de boucle ouverte et l'évolution de la puissance de bruit à l'entrée de l’amplificateur en fonction de la fréquence :

Gain et déphasage en boucle ouverte.

Puissance de bruit à l'entrée de l'amplificateur

Au cours du temps, à chaque tour de boucle le signal réinjecté dans l'amplificateur à Fo grandit. Lorsqu'il devient trop grand, il sature celui-ci et le gain de boucle fermée diminue jusqu'à devenir égal à 1. On peut représenter l'évolution du gain de boucle fermée et de la puissance du signal de sortie au cours du temps en fonction de la fréquence.

Gain en boucle fermé et puissance de signal correspondante.

Modélisation du démarrage On peut de façon approchée modéliser le démarrage de l'oscillateur par la mise en cascade des chemins en boucle ouverte (méthode approchée car les impédances de fermeture sont difficiles à déterminer). La représentation dans ce cas est la suivante :

Modélisation du démarrage par mise en cascade

On aura donc une courbe de puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée qui sera similaire à celle d'un amplificateur en saturation :

Variation de puissance de l'oscillateur

Conditions de stabilité La stabilité caractérise la capacité de l’oscillateur à délivrer un signal d’amplitude et de fréquence fixe lorsque se produit une perturbation d’amplitude ou de phase interne ou externe . Dans la modélisation de l’oscillateur par une maille (figure 4.4), on considère comme grandeur variable, l’impédance totale qui est considérée comme une fonction complexe d’une variable complexe dont la partie réelle est l’amplitude du signal (tension ou courant) et dont la partie imaginaire est la fréquence (ou pulsation). Lors du passage du fonctionnement normal au fonctionnement perturbé, on peut écrire que l’amplitude change de la manière suivante :

Cette perturbation se traduit pour l’impédance totale en faisant un développement limité autour de A0 et j 0 par :ω

Pour que la condition d’oscillation continue puisse être vérifiée (retour à l’équilibre), il faut que :

Si on considère que la perturbation est faible, on assimile p à j 0 :ω

donc, on peut relier la variation de pulsation complexe en fonction de la variation d’amplitude et des données de l’oscillateur (élément actif et résonateur) :

Calculons cette variation de la pulsation complexe en fonction des pentes de variations des parties réelle et imaginaire de l’impédance en fonction de l’amplitude et de la fréquence :

La partie réelle de la pulsation complexe devient :

Une perturbation entraîne donc une variation d’amplitude :

Dans ce cas , il faut rechercher la condition pour laquelle l'oscillateur pourra revenir à l'état initial. On sait que l'amplitude va augmenter de façon exponentielle si est positif; donc, pourα une variation positive de l'amplitude, il faut vérifier la condition de stabilité :

Pour un oscillateur bien conçu, on doit avoir le lieu en fréquence de qui doit couper l’axe réel à angle droit. De plus, on observe souvent que la variation de réactance totale avec l’amplitude du signal est faible (comparer à la pente du résonateur). Ces deux conditions nous permettent d’assimiler le second terme de l’inégalité à zéro et la condition de stabilité devient :

En conclusion, pour faire un oscillateur stable :

1. Si l’on représente l’oscillateur comme une résistance négative , on doit placer un

circuit résonant série

2. Si l’on représente l’oscillateur comme une conductance négative <0, on doit placer

un circuit résonant parallèle

Il est donc essentiel de modéliser correctement la partie active de son oscillateur.

Critères de stabilité et adaptation

Comme tout système physique présentant du gain, un amplificateur peu être à l'origine d'une instabilité. La tendance à s’opposer aux perturbations extérieures est une manière générale de définir la stabilité d’un système. Cette stabilité est étudiée en observant le rapport des ondes réfléchies et incidentes en entrée ou en sortie alors si le module du rapport suivant est supérieur à un, le dispositif est susceptible d’être instable.

Le rapport pour étudier l’instabilité en entrée :

b1a1

=Γ¿=S11+S21S12Γ l1−S22Γ l

Le rapport pour étudier l’instabilité en sortie :

b2a2

=Γ¿=S22+S21S12Γ g1−S11Γ g

L'adaptation et la stabilité n'allant pas nécessairement de paire, il est possible de distinguer différente configuration. La situation idéale est le cas laquelle l’amplificateur est inconditionnellement stable et adaptable. Dans ce cas, il est possible d’adapter l’amplificateur mais c’est une situation dangereuse. Si l’amplificateur est conditionnellement stable et inadaptable, il est impossible d’adapter l’amplificateur et donc sa stabilité n’est pas assurée. La dernière configuration est celle ou l'amplificateur est conditionnellement stable et adaptable, ce qui reviens à ce situer dans le cas précédent sauf qu'il est possible d'adapter l'amplificateur. Ce qui constitue une situation acceptable mais dangereuse. Le facteur de Rolett K s’agit d’un critère permettant d’accéder à la stabilité et à l’adaptabilité d’un quadripole sous test.

K=1+|Δ|2−|S11|

2−|S22|2

2|S21||S12|

Si K > 1 et |Δ| < 1 : l’amplificateur est inconditionnellement stable. Le gain en puissance maximum GTmax :

GTmax=|S21||S12|

|K−√K2−1|

Si K > 1 et |Δ| > 1 : la stabilité est conditionnelle, mais l’amplificateur est toujours adaptable simultanément.Si K < -1 : le transistor n’est pas adaptable simultanément, donc l’amplificateur est instable.Si |K| < 1 : l’amplificateur est conditionnellement stable. L’adaptation est impossible.

Paramètres définissant le comportement d’un VCO

- Gain du VCO (Kvco) : Il s’agit de la pente de la variation de fréquence en fonction de la variation de la tension appliquée pour piloter le VCO. Cette grandeur est exprimée en Hz/V.

- Contrôle monotone : Ce terme désigne un VCO dont la fréquence varie de façonmonotone sur l’ensemble de la plage de fréquence.

- Puissance de sortie : Puissance de sortie du VCO.

- Rapport cyclique : Il s’agit du rapport entre la durée d’un état haut et la période du VCO. Ce rapport doit être le plus proche possible de 0,5 pour une génération d’horloge. Une meilleure symétrie du montage permet d’obtenir un meilleur rapport cyclique.

- Bande-passante de modulation : Capacité du VCO à répondre à une variation de la commande.

- Atténuation des fréquences harmoniques : La seconde harmonique est la plus difficile à filtrer et c’est donc sur elle que se portent en général les efforts pour l’atténuer. Cependant, les fréquences harmoniques peuvent être utilisées notamment pour la multiplication de la fréquence du VCO, où seule la fréquence harmonique souhaitée est conservée.

- « Spurious » : Fréquences parasites différentes des harmoniques de la fréquence du VCO.

- « Pushing fréquentiel » : Variation de la fréquence du VCO due à une variation de la tension d’alimentation.

- « Pulling fréquentiel » : Variation de la fréquence du VCO due à une variation de la charge connectée en sortie. Pour diminuer ce phénomène, on peut utiliser un étage tampon en sortie du VCO.

- Bruit de phase SSB (Bande Unique ou Single Side Band): Il s’agit du bruit de phase (en dBc/Hz).

- Facteur de mérite (FOM: Figure Of Merit) : C’est un paramètre (dont l’unité est le dBc/Hz) qui permet de comparer les VCO en normalisant le bruit de phase par rapport à la fréquence d’oscillation et à la puissance consommée. Il se calcule à l’aide de l’équation :

FOM=pnoise ¿)-20log(FOSCFoffset

¿+10log(Pdiss1mW

)

Plus la valeur absolue du facteur de mérite est forte (plus sa valeur en dB est négative), plus le VCO est stable en fréquence.

Métodologie - Choix du transistor

Choix du transistor Pour choisir notre transistor nous avons utilisé le site internet suivant :

http://www.nxp.com/#/homepage/cb=[t=p,p=/71078/15613]|pp=[t=pfp,i=15613]

Sachant que le transistor serait un NPN bipolaire nous avons été amenée ensuite à considéré différents paramètres présents dans la documentation constructeur pour le choisir :

La fréquence de travail maximum du transistor qui dois être supérieur à 2,4 GHz. De même ft doit être aussi supérieur à 2.4GHz.

La puissance total Ptot doit être supérieur à 100mW qui est la puissance maximal que doit délivré le VCO selon la norme 802.11b.

La fréquence nommé @f est la fréquence à laquelle le transistor à été testé par le constructeur, ainsi toute les autres valeurs indiquées découlent du test réalisé à cette fréquence en particulier. Il est donc préférable de trouver un transistor testé à environ 2.4GHz ce qui permet de plus facilement anticipé les résultats de simulations.

Choix du transistor parmi la gamme RF large bande

Le transistor BFU725F est le premier que l'on à trouvé présentant une fréquence de test @f à 2.4GHz.

Référence du transistor + possibilité d'accèder à la datasheet et à des imformation plus détaillées sur le composant.

Accès à la datasheet

Puissance

Bruit

Gain