Le sujet de cette thèse concerne la création d'un canal de propagation sonore dans un contexte UWB. 2 L'objectif de cette thèse est de créer un canal de propagation sonore UWB à l'intérieur des bâtiments.
La technologie UWB et ses applications
Largeur de Bande
La FCC a introduit la définition d'un signal UWB comme un signal ayant une bande passante minimale de 500 MHz à -10 dB du point le plus élevé d'émission rayonnée, ou encore un signal dont la bande passante relative (Bf, 10 dB) est supérieure à 0,2. Où Bf,10dB est la bande relative ou bande fractionnaire, FH et FL sont respectivement les fréquences de coupure supérieure et inférieure de la bande définie à -3 dB du maximum [7].
Spectres des différents systèmes radio
Masque FCC
Même si la puissance d’émission de ces signaux est très faible, l’UWB doit néanmoins respecter la réglementation. De plus, l'une des principales particularités de l'UWB est l'absence de licence pour accéder à la bande UWB, qui permet de produire et d'accéder au contenu librement et à moindre coût.
Etats-Unis
Europe
Cette première décision limite l'émission de signaux UWB à la bande 6 GHz – 8,5 GHz avec un DSP de -41,3 dBm/MHz sans techniques d'atténuation (technique de suppression des émissions pour protéger les interférences entre systèmes environnementaux) pour ces appareils. Cependant, dans la bande 4,2 GHz – 4,8 GHz, une autorisation a été validée par l'ECC, qui permet aux équipements installés avant le 31 décembre 2010 d'émettre à - 41,3 dBm/MHz.
Asie
La norme IEEE 802.15.4a pour les réseaux sans fil bas débit (< 250 kbits/s selon la bande de fréquence considérée), qui allie localisation et haute précision (inférieure au mètre), s'appuie sur la technologie radio impulsionnelle. Pour les applications haut débit (> 100 Mbit/s) principalement deux techniques sont retenues : MB-OFDM (Multi-Band OFDM) et DS-CDMA ou DS-UWB (Direct Sequence UWB).
Les solutions par radio impulsionnelles
MB-OFDM a été normalisé par la norme ECMA (ECMA 368) de la WiMedia Alliance en décembre 2005, après la dissolution du groupe IEEE.802.15.3a puis révisé en 2007 pour répondre aux dernières réglementations mises en œuvre pour les systèmes UWB, pour prendre en compte compte. L'approche DS-UWB ou DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiple Access) propre à l'UWB haut débit consiste en l'utilisation de plusieurs bandes de fréquences disponibles simultanément, chaque utilisateur étant reconnu par l'utilisation de codes d'étalement orthogonaux.
La solution multibandes
L'utilisation d'une approche multibande permet à chaque utilisateur de bénéficier de l'indépendance de fréquence associée au haut débit, ainsi que de la flexibilité pour gérer le spectre radio puisqu'il est possible de bloquer une bande de fréquence pour qu'elle n'interfère pas. avec un système à bande étroite qui l'occupe.
Comparaison entre les méthodes de transmission UWB
La technologie UWB a désormais plusieurs domaines d'application, dont certains sont présentés dans la figure 7.
Systèmes d’Imageries Radar et de localisations
Les systèmes concernés sont : les systèmes d'imagerie radar à pénétration de sol (GPR), l'imagerie de l'intérieur des murs et à travers les murs pour le sauvetage des personnes ensevelies et la détection de l'acier d'armature dans le béton, l'imagerie médicale, l'imagerie pour la construction et la réparation de maisons, l'imagerie pour l'exploitation minière et imagerie de surveillance pour les militaires. Enfin, dans le cadre de la géolocalisation pour l'aide et l'orientation des particuliers au sein d'une zone commerciale plus vaste, par ex.
Réseau de Capteurs et Senseurs
RFID
Le protocole de communication radio utilisé combine deux techniques : l'ultra-large bande (UWB) pour la transmission des données et l'ultra-haute fréquence (UHF) pour la synchronisation et le contrôle à distance. Un même circuit peut gérer la communication de la couche physique des deux côtés de la liaison radio, c'est à dire à la fois dans le tag mémoire (le tag RFID) ou dans le lecteur.
Systèmes de communication
Pour cette étude, nous présentons le modèle 802.15.4a pour les applications bas débit développé par le groupe de travail IEEE [48]. Le modèle 802.15.3a ne prend en compte que la dépendance des pertes de propagation en fonction de la distance.
Canal de propagation UWB
Phénomènes physiques liés à la propagation en espace libre
- Phénomènes à grande échelle
- Phénomènes à petite échelle
- Mécanismes de propagation
Ce phénomène se produit lorsqu'une onde rencontre un obstacle plus grand que sa longueur d'onde. La diffraction se produit aux bords des obstacles qui sont grands par rapport à la longueur d'onde.
Modélisation du canal de propagation
- Différents types de modélisation
La modélisation s'appuie sur une série de mesures de l'appareil reproducteur dans différents environnements. Premièrement, la modélisation statistique s'appuie sur des campagnes de mesures et la modélisation déterministe utilise les mesures comme principal élément de validation des outils de simulation utilisés pour fournir un modèle de canal.
Objectifs et Caractéristiques d’un sondeur de canal ultra large bande
- Sélectivité fréquentielle
- Etalement Doppler B D – Temps de cohérence T C
- Etalement angulaire ou sélectivité spatiale
- Variabilité lente
L’inconvénient majeur de ce type de modélisation est le temps de mesure et l’exécution de la mesure. Nous définissons souvent la bande de cohérence à Bc,n% sur la base de l'autocorrélation de la fonction de transfert de canal.
Sondage dans le domaine temps-fréquence
- Techniques temporelles
- Techniques Fréquentielles
Le temps de mesure dépend de plusieurs variables, telles que la bande, le nombre d'échantillons, la durée de mesure Δt pour chaque pas de fréquence, et le nombre d'antennes en émission et en réception. Dans ce cas, l'étude Doppler sera difficile du fait de la durée totale de la mesure Tmes = L*M*N*Δt.
Sondage dans le domaine spatial
L’avantage majeur de cette technique est que le temps de mesure est plus court qu’avec les deux méthodes décrites précédemment [40]. Cependant, il est parfois utile d'étaler le signal dans le temps pour réduire la bande passante instantanée du récepteur et ainsi augmenter la dynamique de mesure.
Campagne de mesures spatio-temporel en UWB
- Campagnes de mesures en UWB
- Résultats des campagnes de mesures en UWB
La mesure de l'ouverture à 3 dB montre que la directivité augmente avec la fréquence. Lors de la mesure de référence, les deux éléments (émetteur et récepteur) sont séparés de 1,5 m.
Modèle IEEE 802.15.4a
Sondeur de canal UWB
Etat de l’art de quelques structure cinq-port utilisées
- Cinq-port à jonction en étoile
- Cinq-port basée sur des composants large bande
73, ainsi que la tension aux bornes de la diode en fonction de la tension d'alimentation. Rayonnement unidirectionnel avec le maximum dans la direction suivant le haut de l'antenne (antenne Endfire). La figure 28 montre le gain de l'antenne en fonction de la fréquence et de l'angle θ pour les fréquences 6 GHz, 7 GHz, 8 GHz et 9 GHz.
Le temps de balayage en azimut et en fréquence utilisé par MUSIC est important.
L’anneau à cinq-branches
Mélangeur Simple-Diode
- Diode de mélange : diode Schottky
- Les stubs papillon
La tension de polarisation est sélectionnée dans la plage de non-linéarité de la diode. La formule qui relie la puissance de sortie en fonction de la tension de sortie du mélangeur est la suivante.
Performances du circuit de démodulation complet
- Paramètres S du circuit complet
- Pertes de conversion du circuit cinq-port total
- Signal modulé QPSK : dynamique du CP
La figure 22 montre la configuration utilisée pour mesurer les pertes en fonction de la fréquence du circuit à cinq ports produit. La fréquence de OL est fixée à 6 GHz, puis à 7,25 GHz et enfin à 8,5 GHz et de même pour la fréquence porteuse du signal modulé, FOL = FRF.
Etat de l’art de quelques antennes UWB
La principale difficulté dans la conception d’une antenne UWB vient donc directement de sa bande de fonctionnement puisque toutes les caractéristiques énoncées doivent être vérifiées dans toute la bande de travail de l’antenne. Dans cette section, nous présentons l'antenne à fente conique linéaire (LTSA) utilisée pour le sondage de fréquence UWB.
Contexte de l’étude
- Choix de l’antenne pour le sondage de canal
- Présentation de l’antenne LTSA
- Réseau d’antenne LTSA
De plus, le modèle est configurable, permettant d'observer toute influence d'un changement de l'un des paramètres de l'antenne sur son comportement. 97 Les propriétés de rayonnement de l'antenne ont ensuite été mesurées dans une chambre anéchoïque entre 6 GHz et 8,5 GHz.
Système de mesure du canal UWB
- Architecture du sondeur
- Description de la méthode de calibrage du système
Ce travail d'initialisation passe par deux phases, d'abord la calibration des cinq ports puis la phase de mesure de référence. Tout d’abord, la première étape consiste à calibrer les cinq ports, la deuxième étape consiste à mesurer la référence.
Méthodes d’estimations Hautes Résolution
- Méthode d’estimation utilisée : MUSIC
- Algorithme Root-MUSIC
L'étude s'est concentrée sur l'implémentation de l'algorithme Root-MUSIC et son application à la modélisation spatio-temporelle dans un contexte UWB. Cependant, cette version simple de Root-MUSIC ne permettait de détecter qu'un nombre de chemins inférieur au nombre d'éléments dans le sous-réseau.
Simulations avec ADS (Advanced Design System d’Agilent)
Pour valider le principe de fonctionnement du système proposé, nous effectuons une série de simulations et de mesures présentées ci-dessous. Le système est composé de 2 antennes omnidirectionnelles et de 2 technologies microruban à cinq ports fonctionnant dans la bande 6 GHz - 8,5 GHz.
Mesures pratiques par câble et déphaseur
La direction d'arrivée d'une onde est liée au déphasage entre les enveloppes complexes des signaux reçus au niveau de chaque capteur. Dans le cas illustré, il s'agira de la différence de phase entre les signaux RF des cinq ports.
Mesure en chambre anéchoïque
Le sonar à canal fonctionnant dans la bande de fréquence 6 GHz – 8,5 GHz (bande européenne UWB) pour la mesure de la propagation à l'intérieur des bâtiments est développé et validé dans ce chapitre. L'estimation est basée sur une mesure de la fonction de transfert de canal dans la bande de fréquences 6 GHz – 8,5 GHz.
Estimation haute résulution des angles d’arrivées et des retards de propagation en
Scénario 1 : deux trajets
Scénario 2 : mesures dans un canal en intérieur en configuration LOS
Scénario 3 : mesures en intérieur en configuration NLOS
Principe de fonctionnement
Simulation avec ADS
Validation de la technique Chirp par mesure de DOA et Retard
- Scénario 1 : mesure en chambre anéchoïque
- Scénario 2 : mesure avec plaques métalliques en condition LOS
L'atténuation et la direction du signal transmis dépendent de la longueur d'onde, en raison de l'indice de réfraction du matériau. Cramer, Cassioli, Alvarez et Pagani montrent que le paramètre de dispersion dans le cas d'évanouissements à petite échelle dépend de l'environnement de mesure ainsi que de la distance séparant le Tx et le Rx.
L est la longueur de la ligne à partir de laquelle est calculé le rayon Ra de l'anneau. Ceci permet de réduire un court-circuit sur la ligne microruban à la fréquence centrale de 7,25 GHz et à une bande de 2,5 GHz pour notre application. La fréquence FRF n'est rien d'autre que la fréquence du LO décalée d'un pas de fréquence Δf.
Les performances de l'antenne et du réseau ainsi que des cinq ports sont également présentées et les résultats sont donnés sur l'ensemble de la bande de fréquence 6 GHz – 8,5 GHz.
On obtient ainsi une estimation des deux trajets avec une erreur de 0,1 ns dans le domaine temporel et de 2° dans le domaine angulaire. Les estimations sont faites avec une erreur maximale de 0,1 ns dans le domaine temporel et 2°. Les estimations réalisées le sont avec une erreur de 0 ns dans le domaine temporel et de 0,7° dans le domaine spatial.
Les résultats de simulation sont actuellement encourageants quant à la méthode de mesure et d’estimation utilisée dans la bande 6 GHz – 8,5 GHz.