Dans certains secteurs industriels, la transmission de données fait l’objet des application de plus en plus nombreuses et variées. En effet Il est devenu nécessaire aux entreprises de comprendre et maîtriser les problèmes liés à la mise en place d’une liaison radio en fonction de l’environnement, de la mise en forme et du débit des données source, de la puissance disponible à l’antenne, de la sélectivité et la sensibilité du récepteur…

Cet article présente l’essence des fondements de la radiocommunication et relate toutes les notions qui lui sont liées et que vous devriez savoir.

Comment fonctionne la radiocommunication

Généralement, les données sont transmises dans l’air au moyen d’ondes électromagnétiques (EM) qui sont formées par un courant alternatif qui change rapidement de direction sur un matériau conducteur.

L’oscillation rapide des champs électriques et magnétiques autour du conducteur projette des ondes électromagnétiques dans l’air. Pour que le courant puisse être émis dans l’air sous forme d’ondes électromagnétiques, quelques facteurs sont essentiels, à savoir la longueur du conducteur et la fréquence du courant alternatif. Une fréquence plus élevée réduit le besoin de longueur de conducteur.

Une antenne est un dispositif conducteur conçu pour émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques lors d’une communication sans fil. La longueur de l’antenne est directement proportionnelle à la transmission souhaitée (fréquence de réception).

 

Comment fonctionne la radiocommunication

Rôle de l’émetteur (Tx) et le récepteur (Rx) en radiocommunication

Chaque installation radio comprend deux éléments principaux :

  • L’émetteur (Tx)
  • Le récepteur (Rx)

Les ondes électromagnétiques sont émises par un émetteur vers un récepteur. L’émetteur encode la voix, la vidéo et les données sur une onde sinusoïdale et la transmet par ondes radio. Le récepteur reçoit les ondes radio et décode les ondes pour récupérer les informations. L’émetteur et le récepteur utilisent tous les deux des antennes pour émettre et capter les signaux radio. Ils sont intégrés dans la même unité radio. Un multiplexeur est utilisé pour sélectionner un chemin pour la transmission ou la réception.

 

 

Phénomènes liés à la propagation des ondes EM en radiocommunication 

Lorsque les ondes électromagnétiques EM se propagent dans l’air, elles subissent les types d’altérations suivants :

La diffraction

La force du signal est réduite après avoir subi une diffraction. Les obstacles qui provoquent la diffraction ont généralement des arêtes vives, comme les bords des bâtiments. Les ondes EM s’enroulent autour de l’obstacle pour atteindre le récepteur.

La diffusion

Lorsque les ondes EM rencontrent de nombreux petits obstacles (plus petits que la longueur d’onde du signal), elles se dispersent en de nombreuses petites ondes réfléchissantes et endommagent le signal principal, provoquant des liaisons de mauvaise qualité ou même des ruptures.

Ces obstacles sont notamment des surfaces rugueuses, des rochers, du sable, de la poussière, des feuilles d’arbres, des lampadaires, etc.

La réflexion

Lorsque les ondes EM rencontrent de grands obstacles tels que le sol, les murs ou les bâtiments, elles se réfléchissent et changent de direction et de phase. Si la surface réfléchie est lisse, le signal réfléchi représentera probablement le signal initial et ne sera pas diffusé.

Tous les phénomènes ci-dessus entraînent une propagation par trajets multiples, de sorte que tous les signaux n’arriveront pas en même temps à l’antenne du récepteur. Que vous installiez une solution en extérieur (Outdoor) ou en intérieur (Indoor), la propagation par trajets multiples peut gravement affecter la qualité du signal reçu car les signaux retardés sont destructeurs pour le signal principal.

Solution : Le problème de la propagation par trajets multiples peut généralement être compensé par la diversité d’antenne au niveau RF et/ou par l’OFDM (multiplexage orthogonal par répartition en fréquence) au niveau de la bande de base.

Utilisation du MIMO en radiocommunication

MIMO (Multiple Input/Multiple Output, communément prononcé « my-mo ») est une technologie qui utilise plusieurs émetteurs et récepteurs (avec plusieurs antennes) pour améliorer les performances de la communication sans fil. En ce qui concerne un système radio MIMO : MI signifie que plusieurs émetteurs envoient plusieurs flux de données « dans » l’air, MO (sorties multiples) signifie que plusieurs récepteurs acquièrent plusieurs flux de données « hors » de l’air. Notez que les termes entrée et sortie se réfèrent au canal radio transportant le signal, et non aux dispositifs avec antennes.

Les différents systèmes sont illustrés ci-dessous

  • Single-input single-output (SISO)

Single-input single-output (SISO)

  • Multiple-input single-output (MISO)

Multiple-input single-output (MISO)

  • Single-input multiple-output (SIMO)

Single-input multiple-output (SIMO)

  • Multiple-input multiple-output (MIMO)

Multiple-input multiple-output (MIMO)

 

Notions fondamentales en radiocommunication

Puissance du signal

Les signaux radio sont transmis à un certain niveau de puissance, la puissance étant mesurée en watts. Cependant, les puissances pour un WLAN sont généralement mesurées en milliwatts (mW). Certaines solutions nécessiteront une puissance d’émission plus élevée et peuvent avoir recours à d des boosters de puissance ou des modules haute puissance personnalisés pour amplifier la puissance d’émission. Cependant, ces tentatives doivent être effectuées avec prudence car l’amplification de puissance peut faire en sorte que le système dépasse les réglementations nationales en matière d’émissions radio.

La puissance mesurée en mW est difficile à calculer lorsqu’il s’agit de niveaux de puissance extrêmement faibles au niveau du récepteur. C’est pourquoi, au lieu d’utiliser des valeurs absolues en milliwatts, nous les convertissons souvent en dBm.

Puissance d’émission et sensibilité reçue

Lorsqu’un signal radio est transmis par l’air, il subit une grande perte de puissance de signal, appelée atténuation. Par conséquent, lors de l’évaluation d’un système sans fil, il faut être conscient du niveau de puissance du signal à l’extrémité de l’émetteur et à l’extrémité du récepteur. La puissance du signal reçu ne doit pas être faible au point de rompre la liaison de communication, ni trop forte au point de saturer les amplificateurs du récepteur.

Ces préoccupations appellent une estimation du « budget de puissance » d’un système sans fil. Cette estimation donnera une idée de la distance à parcourir pour étendre la liaison sans fil sans perdre la communication.

Modulation et étalement du spectre

La modulation est le processus consistant à transmettre un signal de message en faisant varier une ou plusieurs propriétés d’une forme d’onde périodique, appelée signal porteur, avec un signal modulant qui code les informations à transmettre. Le fait d’extraire le signal porteur d’information original d’une onde porteuse modulée est appelé démodulation.

Les techniques à spectre étalé sont des méthodes permettant de transmettre un signal radio sur une largeur de bande considérablement plus grande que le contenu en fréquence de l’information originale. Les techniques à spectre étalé offrent les avantages des communications sécurisées, une meilleure résistance aux interférences, au bruit et au brouillage, et limitent la densité de flux de puissance. Pour simplifier les choses, seules les techniques à spectre étalé qui concernent les couches physiques radio dans la norme 802.11, à savoir FHSS, DSSS et OFDM, seront abordés dans cet article

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, or FH) : L’étalement de spectre par saut de fréquence

C’est l’une des techniques de modulation utilisées dans la transmission de signaux à spectre étalé. Il est également connu sous le nom de FH-CDMA (Frequency-Hopping Code Division Multiple Access).

L’étalement du spectre par saut de fréquence (FHSS) permet à un signal d’être transmis sur une bande de fréquences bien plus large que la bande passante minimale requise par le signal d’information. L’émetteur «étend» l’énergie, initialement concentrée dans une bande étroite, sur un certain nombre de canaux de bande de fréquences sur un spectre électromagnétique plus large. Le FHSS présente les avantages d’une confidentialité améliorée, d’une diminution des interférences à bande étroite et d’une capacité de signal accrue.

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, or DS) : L’étalement de spectre à séquence directe

L’étalement de spectre à séquence directe (DSSS) divise un flux d’informations à transmettre en petits morceaux, chacun d’eux étant attribué à un canal de fréquence à travers le spectre. Le DSSS génère une configuration binaire redondante pour chaque bit à transmettre.

Cette configuration binaire est appelée puce (ou code de déchiquetage). Même si un ou plusieurs bits de la puce sont endommagés lors de la transmission, les techniques statistiques intégrées dans la radio peuvent récupérer les données d’origine sans avoir besoin de retransmission. L’étalement de spectre à séquence directe est également connu sous le nom d’accès multiple par division de code de séquence directe (DS-CDMA). Cette technique de modulation est officiellement acceptée et utilisée par les normes IEEE 802.11b et IEEE 802.11g.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

OFDM est un schéma de modulation qui divise un seul signal numérique simultanément sur 1 000 porteuses de signaux ou plus. Les signaux sont envoyés à angle droit (orthogonal) les uns par rapport aux autres pour ne pas interférer les uns avec les autres. OFDM a la capacité de surmonter les effets multi-trajets en utilisant plusieurs porteuses pour transmettre le même signal.

ISM et bandes sans licence

Les bandes sans licence font partie du spectre radioélectrique qui peut être utilisé par n’importe qui sans demander de licence. Une bande sans licence bien connue est la bande radio ISM (industrielle, scientifique et médicale), qui est réservée internationalement à l’utilisation de l’énergie de radiofréquence (RF) à des fins industrielles, scientifiques et médicales autres que les communications.

Les bandes ISM sont définies par le secteur des radiocommunications de l’UIT (UIT-R) dans les sections 5.138, 5.150 et 5.280 des réglementations radio. Trois bandes ISM sont couramment utilisées:
• 2 400 GHz à 2 500 GHz
• 5,725 GHz à 5,875 GHz

La bande 2,4 GHz

802.11b / g sont les normes WLAN les plus couramment utilisées aujourd’hui. La bande ISM 2,4 GHz est prise en charge par presque tous les pays du monde. Tous les pays ne prennent pas en charge les mêmes canaux dans la bande ISM 2,4 GHz, les utilisateurs doivent donc s’assurer que le point d’accès sans fil correspond à la même norme utilisée dans ce pays.

La bande 5 GHz

Le standard 802.11a/h/j/n/ac utilise la bande 5 GHz. Par rapport à la bande 2,4 GHz, la bande 5 GHz est considérée comme offrant des options plus claires: une largeur de canal complète réservée sans chevauchement, moins d’interférences non Wi-Fi et un emballage de cellules plus serré pour une capacité plus élevée.

Conclusion

Pour répondre aux besoins industriels et officiels, des services spéciaux existent dans certains ministères et organismes. Il existe des services pour l’aviation civile, les chemins de fer, le transport fluvial et maritime, et des agences municipales telles que le service d’incendie et le service de santé. Un autre exemple est l’utilisation de la radio pour la communication interne dans les entreprises industrielles et agricoles et dans certaines institutions. Les communications radio revêtent aussi une grande importance dans les forces armées. Ainsi, maitriser la communication radio représentera un important atout stratégique au niveau organisationnel et sécuritaire.

 

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