VI. Schéma de transmission OFDM
Schémas de transmission DSSS et OFDM. VIII.3. ...... L'égaliseur corrige les
distorsions de phase et d'amplitude. ...... II) Structure des trames de données TD:.
part of the document
à 2.4 GHz est altéré par des phénomènes de trajets multiples et de masquages.
Pour lONERA, le travail a consisté à développer, sous Simulink, un outil permettant de tester différents schémas démetteur/récepteur numérique résistant aux trajets multiples. Pour SUPAERO le travail sinscrit dans le contexte plus particulier des Trophées Micro Drone. Il sagit de proposer et de simuler des schémas de transmission résistant aux multitrajets en vue de durcir une transmission de données haut débit issues dune charge utile vidéo pour micro drone [Bur, 03].
Ce travail propose dans un premier temps un modèle de canal de propagation tenant compte des trajets multiples et des masquages. Vient ensuite létude de schémas de transmission (codage, modulation, récepteur numérique) résistant aux multitrajets. Enfin, une implantation sous Simulink des schémas retenus est présentée. Les modèles développés sont ensuite intégrés dans une compilation de modèles Simulink plus génériques, pour lONERA.
Sommaire
TM \o "1-4" \h \z Remerciements : RENVOIPAGE _Toc83800678 \h 2
Résumé : RENVOIPAGE _Toc83800679 \h 3
I. Plan de projet RENVOIPAGE _Toc83800680 \h 9
I.1. Présentation des différents acteurs RENVOIPAGE _Toc83800681 \h 9
I.1.1. Le D.E.M.R de lONERA RENVOIPAGE _Toc83800682 \h 9
I.1.1.1. Missions du département RENVOIPAGE _Toc83800683 \h 9
I.1.1.2. Activités RENVOIPAGE _Toc83800684 \h 9
I.1.1.3. Environnement RENVOIPAGE _Toc83800685 \h 9
I.1.1.4. Coopérations RENVOIPAGE _Toc83800686 \h 9
I.1.1.5. Réussites RENVOIPAGE _Toc83800687 \h 10
I.1.1.6. Projets majeurs RENVOIPAGE _Toc83800688 \h 10
I.1.1.7. Moyens RENVOIPAGE _Toc83800689 \h 11
I.1.1.8. Ressources humaines RENVOIPAGE _Toc83800690 \h 11
I.1.2. Le SCN de SUPAERO RENVOIPAGE _Toc83800691 \h 12
I.1.2.1. Le LEP RENVOIPAGE _Toc83800692 \h 12
I.1.2.2 Le SCN RENVOIPAGE _Toc83800693 \h 12
I.2. La mission RENVOIPAGE _Toc83800694 \h 13
I.3. Contexte des compétitions micro drones RENVOIPAGE _Toc83800695 \h 13
I.3.1. Objectifs RENVOIPAGE _Toc83800696 \h 13
I.3.2. Description des épreuves. RENVOIPAGE _Toc83800697 \h 13
I.3.2.1. Vol davancement avec transmission dimage. RENVOIPAGE _Toc83800698 \h 13
I.3.2.2. Vol stationnaire indoor. RENVOIPAGE _Toc83800699 \h 14
I.3.2.3. Vol autonome. RENVOIPAGE _Toc83800700 \h 14
I.3.3. Réglementions sur les puissances démission. RENVOIPAGE _Toc83800701 \h 15
I.4. Charge utile vidéo développée en 2002-2003. RENVOIPAGE _Toc83800702 \h 15
I.5. Cahier des charges de létude 2004 RENVOIPAGE _Toc83800703 \h 15
I.6. Plan de travail RENVOIPAGE _Toc83800704 \h 16
II. Caractéristiques du flux vidéo à transmettre. RENVOIPAGE _Toc83800705 \h 17
II.1. Description de la charge utile vidéo RENVOIPAGE _Toc83800706 \h 17
II.2. Taux de compression envisagés RENVOIPAGE _Toc83800707 \h 17
III. Caractéristiques du canal de propagation RENVOIPAGE _Toc83800708 \h 19
III.1. Contexte de la transmission RENVOIPAGE _Toc83800709 \h 19
III.2. Modèle général du canal radiomobile RENVOIPAGE _Toc83800710 \h 19
III . 3. Modélisation des masquages RENVOIPAGE _Toc83800711 \h 20
III.4. Modèle de canal à trajets multiples RENVOIPAGE _Toc83800712 \h 21
III.5. Statistiques dévanouissement du second ordre RENVOIPAGE _Toc83800713 \h 22
III.6. Modèles dévanouissements de Rice et de Rayleigh RENVOIPAGE _Toc83800714 \h 22
III.7. Caractéristiques du canal radiomobile à 2.4 GHz RENVOIPAGE _Toc83800715 \h 24
III.7.1. Temps de cohérence RENVOIPAGE _Toc83800716 \h 24
III.7.2. Bande de cohérence RENVOIPAGE _Toc83800717 \h 24
III.7. 3. Comportement sélectif en fréquence du canal RENVOIPAGE _Toc83800718 \h 25
III.8. Validité du modèle RENVOIPAGE _Toc83800719 \h 27
III.9. Classification du canal RENVOIPAGE _Toc83800720 \h 27
III.10. Bilan de liaison RENVOIPAGE _Toc83800721 \h 27
IV. Stratégie de codage canal RENVOIPAGE _Toc83800722 \h 28
IV.1. Entrelacement interne RENVOIPAGE _Toc83800723 \h 28
IV.2. Code convolutif RENVOIPAGE _Toc83800724 \h 28
IV.3. Poinçonnement RENVOIPAGE _Toc83800725 \h 28
IV.4. Entrelaceur externe RENVOIPAGE _Toc83800726 \h 29
IV.5. Code Reed Solomon RENVOIPAGE _Toc83800727 \h 29
IV.6. Performances du schéma de codage canal. RENVOIPAGE _Toc83800728 \h 29
V. Modulation QPSK et Egalisation RENVOIPAGE _Toc83800729 \h 29
V.1. Modèle bande de base RENVOIPAGE _Toc83800730 \h 29
V.2. Filtre de mise en forme. RENVOIPAGE _Toc83800731 \h 30
V.3. Stratégies dégalisation RENVOIPAGE _Toc83800732 \h 31
V.3.1. Algorithme LMS RENVOIPAGE _Toc83800733 \h 31
V.3.2. MLSE utilisant l algorithme de Viterbi RENVOIPAGE _Toc83800734 \h 31
V.4. Equilibre entre le débit et la complexité de lalgorithme de Viterbi. RENVOIPAGE _Toc83800735 \h 32
VI. Schéma de transmission OFDM RENVOIPAGE _Toc83800736 \h 32
VI.1. Théorie de lOFDM RENVOIPAGE _Toc83800737 \h 32
VI.2. Faiblesses de lOFDM RENVOIPAGE _Toc83800738 \h 33
VI.3. Egalisation pour lOFDM RENVOIPAGE _Toc83800739 \h 33
VI.4. Longueur du préfixe cyclique RENVOIPAGE _Toc83800740 \h 34
VI.5. Architecture des trames transmises RENVOIPAGE _Toc83800741 \h 34
VII. CDMA et Récepteur rake RENVOIPAGE _Toc83800742 \h 37
VII.1. Théorie du CDMA RENVOIPAGE _Toc83800743 \h 37
VII.1.1. Spreading et scrambling RENVOIPAGE _Toc83800744 \h 37
VII.2. Architecture des trames de données et des trames pilotes RENVOIPAGE _Toc83800745 \h 38
VII.3. Récepteur rake RENVOIPAGE _Toc83800746 \h 38
VII.4. Architecture retenue. RENVOIPAGE _Toc83800747 \h 40
VIII. Système dévaluation développé à partir de composants sur étagère. RENVOIPAGE _Toc83800748 \h 41
VIII.1. Capteur dimage et compression JPEG RENVOIPAGE _Toc83800749 \h 41
VIII.2. Schémas de transmission DSSS et OFDM. RENVOIPAGE _Toc83800750 \h 42
VIII.3. Proposition dun système dévaluation. RENVOIPAGE _Toc83800751 \h 43
IX. Guide dutilisation des modèles Simulink développés. RENVOIPAGE _Toc83800752 \h 44
IX.1. Contenu des modèles. RENVOIPAGE _Toc83800753 \h 44
IX.2. Canal de transmission. RENVOIPAGE _Toc83800754 \h 45
IX.3. Codage canal. RENVOIPAGE _Toc83800755 \h 46
IX.3.1. Paramétrage du décodeur. RENVOIPAGE _Toc83800756 \h 46
IX.4. QPSK et Egalisation RENVOIPAGE _Toc83800757 \h 47
IX.5. OFDM RENVOIPAGE _Toc83800758 \h 48
IX.5.1. Description RENVOIPAGE _Toc83800759 \h 48
IX.5.2. Modification du nombre de porteuses dun modèle. RENVOIPAGE _Toc83800760 \h 49
IX.6. DSSS et rake RENVOIPAGE _Toc83800761 \h 51
IX.6.1. Description RENVOIPAGE _Toc83800762 \h 51
IX.6.2. Paramétrage de l'emetteur RENVOIPAGE _Toc83800763 \h 52
IX.7. Bugs relevés RENVOIPAGE _Toc83800764 \h 54
Annexes: RENVOIPAGE _Toc83800765 \h 56
Profils standards fournis par le COST259 pour lUMTS et Hiperlan: [3GPP,02] RENVOIPAGE _Toc83800766 \h 56
Profils Puissances-Délais Pour évaluation de lUMTS [SAUNDERS,99] RENVOIPAGE _Toc83800767 \h 57
Figures
TM \h \z \c "Figure" Figure 1. Organigramme du LEP RENVOIPAGE _Toc83800768 \h 12
Figure 2. Vol avec transmission dimage. RENVOIPAGE _Toc83800769 \h 14
Figure 3. Vol autonome RENVOIPAGE _Toc83800770 \h 14
Figure 4. Village artificiel utilisé dans le cadre du concours DGA micro drone 2005. RENVOIPAGE _Toc83800771 \h 16
Figure 5. Impact visuel des différents facteurs de compression. RENVOIPAGE _Toc83800772 \h 18
Figure 6. Canal de propagation mobile. RENVOIPAGE _Toc83800773 \h 19
Figure 7. Les trois échelles de variation du signal. Perte de propagation, masquages, évanouissements multitrajets RENVOIPAGE _Toc83800774 \h 20
Figure 8. Générateur d'un processus de masquage. RENVOIPAGE _Toc83800775 \h 20
Figure 9. Processus de masquage corrélé obtenu sous Simulink. RENVOIPAGE _Toc83800776 \h 21
Figure 10. Forme standard du canal multitrajet RENVOIPAGE _Toc83800777 \h 21
Figure 11. Profil puissance retard standard pour l'UMTS. RENVOIPAGE _Toc83800778 \h 22
Figure 12. Processus complexe de Rice. RENVOIPAGE _Toc83800779 \h 23
Figure 13. Processus complexe de Rayleigh. RENVOIPAGE _Toc83800780 \h 23
Figure 14. Modèle de zone urbaine à 6 rayons pour le GSM pour un mobile se déplaçant à 50 Km/h. RENVOIPAGE _Toc83800781 \h 23
Figure 15. Modèle de zone urbaine à 12 faisceaux pour le GSM. RENVOIPAGE _Toc83800782 \h 25
Figure 16. Comportement sélectif dans le domaine fréquentiel RENVOIPAGE _Toc83800783 \h 26
Figure 17. Domaine temporel RENVOIPAGE _Toc83800784 \h 26
Figure 18. Superposition de différents trajets retardés. RENVOIPAGE _Toc83800785 \h 26
Figure 19. Classement matriciel des différents types de canaux. RENVOIPAGE _Toc83800786 \h 27
Figure 20. Performances du schéma de codage canal. RENVOIPAGE _Toc83800787 \h 29
Figure 21. Architecture de la simulation. RENVOIPAGE _Toc83800788 \h 30
Figure 22. Filtre en cosinus surélevé. RENVOIPAGE _Toc83800789 \h 30
Figure 23. Structure du filtre adaptatif. RENVOIPAGE _Toc83800790 \h 31
Figure 24. Egaliseur MLSE avec réponse impulsionnelle de longueur finie. RENVOIPAGE _Toc83800791 \h 31
Figure 25. Modulateur OFDM RENVOIPAGE _Toc83800792 \h 32
Figure 26. Démodulateur OFDM RENVOIPAGE _Toc83800793 \h 33
Figure 27. Transmission de la séquence dapprentissage RENVOIPAGE _Toc83800794 \h 34
Figure 28. Effet du préfixe cyclique contre l'ISI RENVOIPAGE _Toc83800795 \h 34
Figure 29. Bande OFDM RENVOIPAGE _Toc83800796 \h 35
Figure 30. Nombre de porteuses de données requises en fonction du débit binaire avant codage. RENVOIPAGE _Toc83800797 \h 36
Figure 31. Illustration de limmunité au bruit. RENVOIPAGE _Toc83800798 \h 37
Figure 32. Emetteur en spectre étalé. RENVOIPAGE _Toc83800799 \h 38
Figure 33. Récepteur rake à quatre branches. RENVOIPAGE _Toc83800800 \h 39
Figure 34. Système d'évaluation. RENVOIPAGE _Toc83800801 \h 43
Figure 35. Modèle de canal de propagation. RENVOIPAGE _Toc83800802 \h 45
Figure 36. Génération des masquages RENVOIPAGE _Toc83800803 \h 45
Figure 37. Bloc trajets multiples. RENVOIPAGE _Toc83800804 \h 45
Figure 38. Codeur. RENVOIPAGE _Toc83800805 \h 46
Figure 39. Décodeur. RENVOIPAGE _Toc83800806 \h 46
Figure 40. Schéma de transmission QPSK. RENVOIPAGE _Toc83800807 \h 47
Figure 41. Récepteur. RENVOIPAGE _Toc83800808 \h 47
Figure 42. Modèle de transmission OFDM. RENVOIPAGE _Toc83800809 \h 48
Figure 43. Affectation des symboles de données et des pilotes aux porteuses orthogonales. RENVOIPAGE _Toc83800810 \h 49
Figure 44. Estimateur de canal dans le domaine fréquentiel RENVOIPAGE _Toc83800811 \h 49
Figure 45. DSSS et rake. RENVOIPAGE _Toc83800812 \h 51
Figure 46. Récepteur DSSS. RENVOIPAGE _Toc83800813 \h 53
Figure 47. Récepteur rake RENVOIPAGE _Toc83800814 \h 53
Figure 48. Réinitialisation du bloc Bernouilli generator RENVOIPAGE _Toc83800815 \h 54
Tableaux
TM \h \z \c "Tableau" Tableau 1. Réglementation de lANFR sur lutilisation déquipements radio faible puissance, courte portée. RENVOIPAGE _Toc83800816 \h 15
Tableau 2. Taille de limage en fonction du taux de compression. RENVOIPAGE _Toc83800817 \h 17
Tableau 3. Débit binaire en fonction du débit image. RENVOIPAGE _Toc83800818 \h 17
Tableau 4. Bande de cohérence pour différents profils standards de la téléphonie mobile RENVOIPAGE _Toc83800819 \h 25
Tableau 5. Bilan de liaison. RENVOIPAGE _Toc83800820 \h 28
Tableau 6. Architecture proposée pour 3.7Mbits.s-1 RENVOIPAGE _Toc83800821 \h 35
Tableau 7 . Architecture proposée pour 1.12Mbits.s-1 RENVOIPAGE _Toc83800822 \h 36
Tableau 8. Exemple de codes orthogonaux du CDMA. RENVOIPAGE _Toc83800823 \h 37
Tableau 9. Architecture proposée pour fournir un débit de 1.2 Mbits.s-1 RENVOIPAGE _Toc83800824 \h 40
Tableau 10. Architecture proposée pour fournir un débit de 3.7 Mbits.s-1 RENVOIPAGE _Toc83800825 \h 41
Tableau 11. Capteurs d'image et processeur asocié RENVOIPAGE _Toc83800826 \h 41
Tableau 12. Caractéristiques des standards 802.11 b et g RENVOIPAGE _Toc83800827 \h 42
Tableau 13. Composants sur étagère proposés. RENVOIPAGE _Toc83800828 \h 42
Tableau 14 . Paramétrage de l'émetteur. RENVOIPAGE _Toc83800829 \h 52
Plan de projet
I.1. Présentation des différents acteurs
Les acteurs du projets sont le département DEMR de lONERA où mon contacte a été Joël LEMORTON et le SCN de SUPAERO au travers de Vincent CALMETTES.
I.1.1. Le D.E.M.R de lONERA
I.1.1.1. Missions du département
La mission principale du Département Electromagnétisme et radar (DEMR) est de conduire les travaux de recherche amont devant aider la DGA et les industriels à améliorer les systèmes existants et à définir les systèmes futurs dans les principaux domaines d'application de l'électromagnétisme que sont le Radar, la Furtivité, la Compatibilité Electromagnétique, la Guerre Electronique, et les Télécommunications.
Les compétences acquises à l'occasion de ces travaux conduisent, dans certains cas, le DEMR à exercer une fonction d'expert au profit de la DGA et du secteur civil.
I.1.1.2. Activités
Dans les différents domaines d'application cités, l'activité comporte généralement un double aspect modélisation-mesure et va de l'étude des phénomènes physiques mis en jeu (interaction onde-objets, propagation) jusqu'à la réalisation de grands codes électromagnétiques et de démonstrateurs en vraie grandeur.
Tous les types de plate-formes ou de véhicules sont concernés et les fréquences couvertes correspondent à des longueurs d'onde allant du millimètre au décamètre.
Les thèmes de recherche du DEMR présentés sur le serveur sont, les radars sol, limagerie radar à antenne synthétique, le radar transhorizon, la furtivité ; mais aussi les antennes, la CEM, la propagation et les radars passifs.
I.1.1.3. Environnement
L'activité du DEMR s'appuie en grande partie sur des contrats provenant de la DGA (STTC, SPAé, SPOTI, SPMT, SPNuc, SPART, SPN, DCE). Un volume d'affaires plus limité émane du CNES, du CNET, de l'ESA, de la Commission Européenne et des grands industriels des secteurs de la Défense, de l'Aéronautique et de l'Espace.
I.1.1.4. Coopérations
Au plan international, des accords de coopération sont établis avec la NASA, l'USAF (Etats-Unis), le DLR, le FGAN (Allemagne), la DERA (Royaume-Uni), le FOA (Suède), l'ERM (Belgique) et le DSTO (Australie).
I.1.1.5. Réussites
De nombreuses réalisations placent le DEMR au premier plan européen, voire mondial.
On peut citer :
la mise au point, en chambre anéchoïque, des méthodes holographiques de mesure de la SER des cibles, étendues à la polarimétrie et aux cibles scintillantes. Après leur mise au point ces méthodes ont fait l'objet de transfert au CELAR
la première station radar in situ pour la mesure de la signature électromagnétique d'avions en vol (BRAHMS)
le SAR embarqué RAMSES dans ses multiples possibilités de configuration
le premier radar basse fréquence à antenne et impulsion synthétiques (RIAS)
le premier radar transhorizon à réseau d'antennes surfacique, omnidirectionnel en azimut et focalisable en élévation (NOSTRADAMUS)
un radar à haute résolution Doppler pour l'analyse des cortèges balistiques en phase de rentrée (STRATUS)
la mise au point de déphaseurs à faibles pertes pour antennes à balayage électronique en ondes millimétriques
une contribution majeure à l'optimisation des radômes d'avions d'armes par la modélisation de leurs propriétés radioélectriques
l'application du concept de Topologie Electromagnétique pour résoudre des problèmes complexes de compatibilité électromagnétique
I.1.1.6. Projets majeurs
Les grands projets du DEMR portent sur les axes suivants :
la détection transhorizon par onde de ciel impliquant la maîtrise de la propagation ionosphérique et l'adaptativité du traitement de signal
la surveillance de l'espace par radar bistatique VHF (projet GRAVES pour la détection et la localisation des satellites en orbite basse)
les radars passifs utilisant les émissions de la radio ou de la télévision
l'imagerie SAR à résolution submétrique, l'interférométrie SAR, le SAR basses fréquences
la reconnaissance des cibles par imagerie radar 2D, polarimétrique et à haute résolution
la furtivité en général
la réduction active de signature électromagnétique.
la détection d'objets enfouis sous terre (mines) ou dissimulés sous couvert végétal
la modélisation et la mesure :
de la signature électromagnétique des cibles (l'objectif est de pouvoir calculer, par des méthodes exactes, la SER d'un avion d'arme à 10 GHz) et des fonds terrestres et maritimes
du rayonnement des antennes
des phénomènes de couplages en hyperfréquence intéressant la compatibilité électromagnétique
des phénomènes de propagation radioélectrique pour les applications radar et télécommunications spatiales
I.1.1.7. Moyens
Les moyens techniques développés par le Département visent à démontrer la faisabilité de nouveaux concepts et/ou à fournir des données de mesures pour la simulation et le recalage de modèles numériques. Ces principaux moyens sont :
le radar NOSTRADAMUS pour la détection transhorizon et les mesures ionosphériques
les radars SAR RAMSES et SETHI, respectivement embarqués sur TRANSALL et FOKKER 27, pour les études d'imagerie radar polarimétrique à haute résolution et de télédétection
MERIC, moyen radar sol pour l'analyse polarimétrique à haute résolution des cibles et les mesures de SER en modes monostatique et bistatique
deux chambres anécho·ques CAMERA et BABI (bistatique) pour les mesures fines de la signature électromagnétique des cibles
une chambre anéchoïque pour les études sur la compatibilité électromagnétique des systèmes, une autre pour les mesures de rayonnement d'antennes
une plate-forme de mesures de la propagation Terre-Espace dotée d'un ensemble de moyens diversifiés et performants
un atelier de modélisation électromagnétique (PAME) destiné à fédérer les actions de développement de codes des domaines de la furtivité et de la compatibilité électromagnétique.
I.1.1.8. Ressources humaines
Le DEMR représente un potentiel de plus de 100 personnes composé à 78% d' ingénieurs et cadres, 15% de techniciens et 7% de personnel de gestion et de secrétariat. Plus de vingt doctorants conduisent actuellement une thèse au sein du département.
Le personnel scientifique et technique est réparti dans sept Unités de Recherche :
ESX : Etudes Systèmes et Expérimentations
APR : Antennes et propagation
CDE : Compatibilité et détection électromagnétiques
FUR : Furtivité
RBF : Radar Basses Fréquences
SAR : Imagerie SAR
TSI : Traitement du signal radar
A sept "Chargés de Mission" sont plus particulièrement dévolues des tâches de coordination, stratégie et prospective dans les domaines de la CEM, de la furtivité, du traitement du signal, de l'imagerie radar, des nouveaux concepts radar, du déminage et de la diversification.
De nombreuses actions touchant à la formation existent, concrétisées par l'accueil de stagiaires, de doctorants et par la participation de nombreux ingénieurs à l'enseignement dans les grandes écoles, à l'Université et dans les organismes de formation continue.
I.1.2. Le SCN de SUPAERO
I.1.2.1. Le LEP
Ce SCN est rattaché plus généralement au Laboratoire dElectronique et Physique, le LEP. Le LEP, compte actuellement 5 professeurs permanents entourés d'ingénieurs et de techniciens, assure une double mission : formation des élèves de SUPAERO des cycles ingénieurs et mastères, et formation par la recherche, dans les domaines de l'électronique, de l'imagerie, de l'optronique et du traitement de signal : télécoms radiofréquences , hyperfréquence et optiques, fonctions et systèmes micro-optoélectronique, capteurs d'images.
INCORPORER Word.Picture.8
Figure SEQ Figure \* ARABE 1. Organigramme du LEP
I.1.2.2 Le SCN
Cest donc au groupe Signaux Communication Navigation que jai effectué mon stage. Sous la direction de Vincent CALMETTES, le SCN participe à l'unité de recherche en télécommunications spatiales TESA dans les domaines suivants :
Etudes paramétriques de systèmes de communication et de navigation.
Analyse de schémas de transmission pour communications mobiles par satellites.
Compensation des atténuations de propagation pour des systèmes multimédia en bande Ka. Dimensionnement de systèmes de navigation par satellites
Réseaux satellitaires : Gestion des ressources/protocoles Contrôle d'accès et gestion des ressources dans le cadre de liaison ATM par satellites. Amélioration de la robustesse des récepteurs à spectre étalé.
I.2. La mission
Lobjet de ce travail est létude dune transmission de données vidéo, codées JPEG, dans un environnement semi urbain. Le signal émis dans la bande Industrielle Scientifique et Médicale ISM à 2.4 GHz est altéré par des phénomènes de trajets multiples et de masquages.
Pour lONERA, le travail a consisté à développer, sous Simulink, un outil permettant de tester différents schémas démetteur/récepteur numérique résistant aux trajets multiples. Pour SUPAERO le travail sinscrit dans le contexte plus particulier des Trophées Micro Drone. Il sagit de proposer et de simuler des schémas de transmission résistant aux multitrajets en vue de durcir la transmission de données issues dune charge utile vidéo pour micro drone [Bur, 03].
Le travail consistera à proposer, dans un premier temps, un modèle de canal de propagation tenant compte des trajets multiples et des masquages. Viendra ensuite létude de schémas de transmission (codage, modulation, récepteur numérique) résistant aux multitrajets. Enfin, une implantation sous Simulink des schémas retenus sera présentée. Les modèles développés seront ensuite intégrés dans une compilation de modèles Simulink plus génériques, pour lONERA.
I.3. Contexte des compétitions micro drones
I.3.1. Objectifs
Le « Trophée Micro-Drones 2004 » est une compétition de micro-drones organisée dans le cadre des « Journées Micro-Drones 2004 » par SUPAERO et l'ENSICA. Le Trophée comprend : une exposition statique, 3 épreuves définies ci-après et des présentations en vol. Lédition 2004 du Trophée Micro-Drones sest déroulée du 15 au 17 septembre 2004 sur le campus de SUPAERO et sur un terrain sécurisé de la DGA situé à Fonsorbes dans la région de Toulouse.
I.3.2. Description des épreuves.
I.3.2.1. Vol davancement avec transmission dimage.
Le micro-drone doit voler pendant 2 minutes minimum le long d'un triangle de 100m de côté avec une charge utile de 10 grammes. Le triangle est situé à 20 m de la zone de contrôle. Si le micro-drone emporte une charge utile (caméra, GPS, etc), la masse de la charge utile sera déduite des 10 grammes. Une planche de l'opticien entourée par une clôture de 2 mètres de hauteur est placée le long du parcours pour évaluer la capacité du micro-drone à identifier une cible et à réaliser une vidéo-transmission en temps réel.
Figure SEQ Figure \* ARABE 2. Vol avec transmission dimage.
I.3.2.2. Vol stationnaire indoor.
2 cibles, représentant des fenêtres en façade de bâtiment sont placées le long d'un mur (à 3m et 5m de hauteur). Chaque cible contient une planche de l'opticien, invisible du sol, à détecter par le micro-drone au cours du vol. La capacité de décollage et d'atterrissage vertical est requise pour cette épreuve. Pour les micro-drones non équipés de capteur d'images, un vol stationnaire de 3 secondes sera réalisé devant chaque cible.
I.3.2.3. Vol autonome.
Le micro-drone doit suivre en vol autonome une route définie par un carré de 300 mètres de côté. Les coordonnées GPS des quatre sommets du carré sont fournis à l'avance (cf. site des Journées Micro-Drones). Les concurrents doivent fournir une image claire de la cible et ses coordonnées GPS. Un bonus est accordé aux micro-drones dont le plan de vol peut être interrompu par une phase de vol manuelle pour autant que cette phase de vol ne nécessite pas un opérateur expert en pilotage (ordres de haut niveau seulement).
Figure SEQ Figure \* ARABE 3. Vol autonome
I.3.3. Réglementions sur les puissances démission.
Dans le tableau national de répartition des fréquences, lANFR autorise une puissance démission de 10mW en extérieur et 25 mW en intérieur dans la bande ISM. La largeur de bande nest pas imposée.
Bande de fréquence ou fréquence centralePuissance maxLargeur des canauxRéférences2400-2483.5MHz
Equipement non spécifiquesPIRE max : et 2.5mW/10 mW à lextérieur 10mW à lintérieur des bâtimentsNon imposéeDécision ART 02-1087 02-10882400-2483.5MHz
Réseaucx LocauxPIRE max : et 10 mW à lextérieur 100mW à lintérieur des bâtimentsNon imposéeDécision ART 02-1008 02-1009
Tableau SEQ Tableau \* ARABE 1. Réglementation de lANFR sur lutilisation déquipements radio faible puissance, courte portée.
I.4. Charge utile vidéo développée en 2002-2003.
Les caractéristiques de la charge utile vidéo embarquée sur un micro drone pour les éditions 2003 du concours sont les suivantes
:
Une caméra capture des images de 640x480 pixels en monochrome. Les images codées sur 8 bits sont compressées au format JPEG. Le débit images est de 14 images par secondes avec un taux de compression maximum de 14. Il ny a pas de codage canal. Le débit binaire est 3.125Mbits.s-1. Les filtres d émission et de réception sont en racine de cosinus surélevé de Roll Off 0.40.
La transmission se fait en BPSK. La bande occupée est de 4.5 MHz. Le TEB théorique visé est de 10-7. L a
ntenne d émission est une antenne brin en »/4 omnidirectionnelle de gain 0dB. LAntenne de réception est une antenne Yagi de gain 12dB dans un angle maximal de 60 degrés.
La distance théorique de transmission est de 600m et de 300m réels. La puissance démission est de 0.8 mW.
I.5. Cahier des charges de létude 2004
Le cahier des charges pour létude dune transmission haut débit de données pour micro-drones est le suivant :
La source de donnée est une caméra de 640x480 pixels monochrome. Limage codée sur 8bits est compressée au format JPEG. La transmission a lieu sur une distance de 1Km maximum, dans un environnement rural ou semi urbain (figure ci - dessous) sujet aux trajets multiples. Pour un débit binaire de 1Mbits environ, proposer deux modes vidéo. Lun à taux dimages par secondes faibles et de résolution élevée pour les phases dobservation, lautre avec un nombre dimages par secondes plus élevé mais à plus faible résolution pour les phases de vol. Proposer des modèles de transmission résistant aux trajets multiples, les implémenter sous Simulink.
Figure SEQ Figure \* ARABE 4. Village artificiel utilisé dans le cadre du concours DGA micro drone 2005.
I.6. Plan de travail
Le plan de travail est le suivant:
Etudier limpacte de différents facteurs de compression sur limage et proposer deux modes de transmission (cahier des charges) aboutissant à un débit vidéo de 1Mbits.s-1 environ.
Bibliographie sur les modèles de canal multitrajets
Développement sous Simulink dun modèle de canal sous forme dun filtre. Les gains moyens et les retards sont paramétrables. Les gains varient suivant une loi de Rayleigh pour un transmission sans visibilté et un loi de Rice pour un transmission en visibilté.
Bibliographie sur les techniques de mitigation des trajets multiples.
Développement sous Simulink de modèles des transmissions suivant :
QPSK + Egalisation + codage canal
CDMA + rake +codage canal
OFDM + codage canal
Adaptation des modèles développés sous une forme plus générique pour lONERA.
Rédaction dune publication en anglais pour les Journées Micro-Drones.
Présentation de létude aux Journées Micro-Drones le 16/09/2004
Remise du rapport et soutenance fin Septembre.
Caractéristiques du flux vidéo à transmettre.
II.1. Description de la charge utile vidéo
La charge utile vidéo embarquée sur le micro drone est constituée dune caméra numérique, dun étage de traitement de signal destiné à la compression JPEG des images et au codage canal et dune partie émetteur.
Les images de 640x480 pixels sont codées sur 8 bits (256 niveaux de gris). Elles sont ensuite compressées au format JPG. Voir [Bur, 03] pour une charge utile vidéo similaire développée à SUPAERO. La compression JPEG génère une perte dinformations du fait de lutilisation dune matrice de quantification. Les pertes se caractérisent par lapparition de blocs sur limage.
II.2. Taux de compression envisagés
Le systèmes permettra de fonctionner sur deux modes différents. Le premier, utilisé pour des phases dapproche de lobjectif, consistera en une résolution dimage faible et un taux de rafraîchissement élevé. Le second, utilisé pour lobservation de scènes plus détaillées, consistera en une résolution dimage plus élevée et un taux de rafraîchissement faible. Différents taux de compression ont été retenus [tableau 1]. Une marge supplémentaire de 10 % a été ajoutée pour tenir compte de lefficacité de la compression qui dépend de la nature de limage. En effet, pour une même matrice de quantification, plus lentropie de limage est élevée plus la compression est faible et plus la quantité de données à transmettre est importante.
ImageTaux de compressionTaille [Ko]+10% de marge [Ko]Non compressée1307.2-A33.5910B2015.316.9C1030.733.8D83842
Tableau SEQ Tableau \* ARABE 2. Taille de limage en fonction du taux de compression.
ImageDébit binaire à 14 i/sDébit binaire à 2 i/sA1.12 Mbits/s160 Kbits/sB1.89 Mbits/s270 Kbits/sC3.76 Mbits/s540 Kbits/sD4.704 Mbits/s672 Kbits/s
Tableau SEQ Tableau \* ARABE 3. Débit binaire en fonction du débit image.
Le tableau 3 montre différents débits binaires en fonction du nombre dimages par secondes. Ces valeurs seront considérées tout au long du rapport.
Les photos ci-dessous montrent les effets de la compression sur la capacité à distinguer des éléments dinformation tel un visage, une personne une silhouette ou une inscription, « électronique ». La première image ci-dessous présente un exemple dimage non compressée. Les photos A à D correspondent respectivement à des facteurs de compression de 33.5, 20, 10 et 8.
Figure SEQ Figure \* ARABE 5. Impact visuel des différents facteurs de compression.
Le taux de compression de 33.5% dégrade fortement la qualité de limage. Les inscription les plus petites deviennent illisibles. Cependant, limage contient encore suffisamment de détails pour permettre au micro drone de naviguer.
Sans surprise, les autres taux de compression donnent une qualité améliorée mais ils requièrent des débit plus important également. Le taux de compression le plus faible 8% sera utilisé pour fournir des images de haute qualité permettant de lire de petite inscriptions. En effet, on constate que sur la photo D le panneau portant linscription « électronique » est déchiffrable.
La stratégie sera donc de fournir, pour un débit de 1.12 Mbits avant codage :
- 14 images par secondes à faible résolution [tableau1 A] ou
- 3.3 i/s images par secondes à haute résolution [tableau 1 D].
Après avoir défini les caractéristiques du canal de propagation nous étudierons différentes techniques permettant de transmettre les flux vidéo décris ci-dessus.
Caractéristiques du canal de propagation
III.1. Contexte de la transmission
La bande utilisée est la bande Industrielle Scientifique et Médicale ISM. Cest une bande denviron 79 MHz utilisables entre 2.4 GHz et 2.485 GHz. Cette bande est utilisable sans licence et les standards de transmission comme Bluetooth ou WIFI sont libres daccès.
Le tableau national de répartition des fréquences de lANFR autorise une puissance démission de 10mW en extérieur et 25 mW en intérieur dans la bande ISM. La largeur de bande nest pas imposée. (I.3.3.)
III.2. Modèle général du canal radiomobile
On répartit le processus dévanouissement multiplicatif en trois types dévanouissements. Les pertes de trajet (Path Loss), les trajets multiples (Multipath) et les masquages (Shadowing). Le bruit additif blanc gaussien (AWGN) est ensuite pris en compte.
Figure SEQ Figure \* ARABE 6. Canal de propagation mobile.
Les pertes de trajet en espace libre sont données par INCORPORER Equation.3 [Eq1],
En communication mobiles terrestre latténuation a plutôt la forme INCORPORER Equation.3 n ([ 2
5]
d distance émetteur récepteur.
Les masquages varient plus rapidement que les pertes de trajet, avec des variations significatives sur des distances de lordre de la centaine de mètres et occasionnent des variations de lordre de 20 dB. La PDF du processus datténuation est log-normale, cest à dire que latténuation mesurée en dB a une distribution normale.
Les évanouissement multitrajets impliquent des variations plus rapides à léchelle dune demi longueur donde (6.25 cm à 2.4 GHz), ils occasionnent généralement des variations de lordre de 35 à 40 dB. Ils résultent de la création dinterférences constructives et destructives entre les multiples ondes atteignant le récepteur.
Figure SEQ Figure \* ARABE 7. Les trois échelles de variation du signal. Perte de propagation, masquages, évanouissements multitrajets
III . 3. Modélisation des masquages
Les masquages induisent des variations lentes d une échelle de 10 à 100m. L écart type du processus de masquage -en dB- est appelé location variability ÃL et varie avec la fréquence fc, la hauteur de l antenne et l environnement. D après [Saunders, 91], ÃL s approxime par :
ÃL=0.65 (log Fc)2-1. 3log fc + A
A=5.2 en environnement urbain et 6.6 en zone semi-urbaine
La distance de corrélation des masquages Rc indique la distance séparant deux récepteurs subissant un masquage de même nature. Cette distance augmente au fur et à mesure que lon séloigne de lémetteur. Rc=44m à 1.6km et Rc=112m à 4.8km) [Saunders, 91]. En effet lorsquon est près dobstacles important comme des immeubles le profil de transmission varie plus vite quà longue distance. La figure ci dessous montre le générateur dun tel processus de masquage avec a=exp[ -v.Ts/Rc ], avec v la vitesse du mobile et Ts le temps symbole
Figure SEQ Figure \* ARABE 8. Générateur d'un processus de masquage.
La figure ci-dessous montre la sortie de ce générateur pour une vitesse de 50 km.h-1, une distance de corrélation de 100m, un ÃL de 8 dB.
Figure SEQ Figure \* ARABE 9. Processus de masquage corrélé obtenu sous Simulink.
III.4. Modèle de canal à trajets multiples
La figure ci dessous montre la forme standard du canal multitrajets.
Figure SEQ Figure \* ARABE 10. Forme standard du canal multitrajet
Ce modèle est celui dune ligne à retards discrets et de même valeur. A chaque retard correspond un faisceau. Les gains (n varient dans le temps indépendamment les uns des autres suivant une loi de Rayleigh pour un trajet sans visibilité (Non Line of Sigth) [eq 2] et suivant une distribution de Rice pour un trajet en visibilité (line of sight) [eq 3].
INCORPORER Equation.3 (2)
INCORPORER Equation.DSMT4 (3)
Le tableau ci-dessous donne un exemple de profil puissances moyennes retards relatifs type pour communications mobiles. Le premier coefficient suit une loi de Rice dans le cas dune transmission en vue directe ou une loi de Rayleigh dans le cas dune transmission par réflexions.
Les autres coefficients correspondent à des réflexions et suivent chacun, indépendamment les uns des autres, une loi de Rayleigh. Des profils type sont fournis en annexe.
TapDelay µsAverage Power dBLawPSD10.00Rice or RayleighJakes 20.31-5RayleighJakes30.71-9RayleighJakes41.09-11RayleighJakes51.73-15RayleighJakes62.51-20RayleighJakes
Figure SEQ Figure \* ARABE 11. Profil puissance retard standard pour l'UMTS.
III.5. Statistiques dévanouissement du second ordre
Pour modéliser lautocorrélation temporelle des évanouissements (fonction de la vitesse du mobile v), les hypothèses suivantes sont faites. L antenne du récepteur est omnidirectionnelle. L angle d arrivé ¸ des ondes est uniformément distribué autour du récepteur. Dans ces conditions, le spectre de densité de puissance de Jakes est une loi classiquement utilisée [Eq 4].
INCORPORER Equation.3 INCORPORER Equation.3 (4)
avec INCORPORER Equation.3 (5)
fm étalement Doppler maximum ( ¸=0 )
Eo constante d énergie
III.6. Modèles d évanouissements de Rice et de Rayleigh
La PDF de Rice est donnée par :
INCORPORER Equation.3 (6)
INCORPORER Equation.3 et INCORPORER Equation.3 (7)
S Amplitude de la composante Line of Sight
Ã2 Variance de la partie réelle ou de la partie imaginaire.
P puissance moyenne donnée dans les profils puissance-délais standards
Puisque k=0 correspond à la PDF de Rayleigh (cas Non Line of Sight), les processus se génèrent similairement [fig 6 et 7]:
Figure SEQ Figure \* ARABE 12. Processus complexe de Rice.
Figure SEQ Figure \* ARABE 13. Processus complexe de Rayleigh.
La figure ci-dessous montre le modèle de canal mobile utilisant un modèle urbain à 6 trajets pour le GSM. On observe bien la répartition temporelle des 6 trajets ainsi que leur puissance moyenne qui décroît au fur et à mesure que lon considère des trajets retardés . Ce canal a été obtenu avec le modèle de canal en code Matlab joint en annexe.
Figure SEQ Figure \* ARABE 14. Modèle de zone urbaine à 6 rayons pour le GSM pour un mobile se déplaçant à 50 Km/h.
III.7. Caractéristiques du canal radiomobile à 2.4 GHz
III.7.1. Temps de cohérence
Quand la réponse dun canal à bande étroite varie dans le temps, il se produit de létalement Doppler (Doppler Spreading). Les signaux durant moins de Tc sont reçus quasiment non distordus par létalement Doppler. [Saunders, 99] donne une approximation du temps de cohérence pour le canal classique (utilisant la PSD de Jakes)
INCORPORER Equation.DSMT4 (8)
Si la vitesse du micro drone est dans la gamme 0 km.h-1 - 50 km.h-1, léquation (5) donne le Doppler fm correspondant dans la gamme 0 - 110Hz. Pour un Doppler maximum de 110 Hz, léquation 8 implique que le temps de cohérence Tc vaut 1,6ms.
Par conséquent, les signaux de fréquence inférieure à (1/0.0016)=625 symboles par secondes se propageront dans un canal à variations rapides (fast varying channel); le canal varie pendant la propagation du symbole et de létalement Doppler se produit. Les signaux de fréquence plus élevée se propagent dans un canal à variations lentes (slow varying channel), et ne sont pas affectés par létalement Doppler.
III.7.2. Bande de cohérence
Létalement multitrajet Tm est fortement lié à la bande de cohérence Bc. Un canal est non sélectif en fréquence si T>>Tm, où T est la durée dun symbole. Dans ce cas, le canal est dit plat dans le domaine fréquentiel.
[Jakes,94], montre que dans lhypothèse dun spectre Doppler classique pour tous les trajets, Bc sécrit :
INCORPORER Equation.DSMT4 (9)
INCORPORER Equation.DSMT4 (10)
INCORPORER Equation.DSMT4 and INCORPORER Equation.DSMT4 (11)
(rms root mean square delay spread.
(0 retard moyen.
Le tableau ci-dessous montre les valeurs obtenues pour un ensemble de terrains correspondant au contexte des Trophées Micro Drone; zone semi urbaine bâtiments peu élevés et espacés. La bande nécessitée pour la transmission du signal vidéo (plus de 2 MHz) est supérieure aux valeurs de Bc présentées dans le tableau 3. On sattend par conséquent à un comportement sélectif en fréquence du canal.
ModèleType de terrainBcGSM 12 trajetsZone Urbaine25 034 HzGSM 6 trajetsZone Urbaine23 034 HzUMTS 6 trajets
Channel A Macro cellule
faible delay spread67 600 HzUMTS 6 trajets
Channel B Macro cellule
grand delay spread6 230 Hz
Tableau SEQ Tableau \* ARABE 4. Bande de cohérence pour différents profils standards de la téléphonie mobile
III.7. 3. Comportement sélectif en fréquence du canal
La figure 16 montre le canal pour un Doppler de 110Hz (vitesse de 50 Km/h du mobile). Les figures 17 et 18 montrent une réalisation du canal respectivement à un instant donné et à une fréquence donnée.
Pour la transmission du signal vidéo, on envisage une largeur de bande occupée entre 2 Mhz et 76 MHz, en fonction de la technique de transmission et du codage employés. On vérifie sur la figure 17 le comportement sélectif en fréquence du canal. Le signal vidéo reçoit plusieurs atténuations allant jusqu'à 20 dB.
Figure SEQ Figure \* ARABE 15. Modèle de zone urbaine à 12 faisceaux pour le GSM.
INCORPORER Word.Picture.8
Figure SEQ Figure \* ARABE 16. Comportement sélectif dans le domaine fréquentiel
Figure SEQ Figure \* ARABE 17. Domaine temporel
La figure 17 montre que des groupes de symboles peuvent être totalement perdus. Par conséquent, des techniques de mitigation des évanouissements devront être employées. Le récepteur rake par exemple, pour utiliser par moyennage linformation contenue dans les différents signaux retardés [fig 19], ou par des techniques dentrelacement des données pour répartir les paquets derreurs.
Figure SEQ Figure \* ARABE 18. Superposition de différents trajets retardés.
III.8. Validité du modèle
La question de la validité des profils puissances retards utilisés reste posée. En effet les profils utilisés sont ceux de la téléphonie mobile. Ceux du GSM 900 - 1800MHz ont en général 6 trajets. Ceux de lUMTS 1920-2170 Mhz sont des modèles à 12 voir 20 trajets (annexe) pour tenir compte des débits plus élevés de lUMTS qui le sensibilisent à un nombre de retards plus importants. Ces profils sont donnés pour une vitesse du mobile allant jusquà 250 km, le micro drone avec une vitesse de 50 km.h-1 est donc compris dans cette gamme. La différence est que dans le contexte de la transmission micro drone, à 2.4 GHz, la fréquence centrale est supérieure à celles du GSM et de lUMTS. Les débits sont également supérieurs à ceux du GSM et de lUMTS. Ces modèles permettent de faire une première modélisation du canal mais dautres mesures, faites à 2.4Ghz sur le terrain doivent être menées pour obtenir un modèle datténuation plus précis.
III.9. Classification du canal
Les paragraphes précédents permettent de classer le canal comme variant lentement (slow fading) et sélectif en fréquence (frequency selective), figure ci-dessous.
Figure SEQ Figure \* ARABE 19. Classement matriciel des différents types de canaux.
III.10. Bilan de liaison
Le tableau suivant synthétise le bilan de liaison avec pour hypothèses, une modulation QPSK, lutilisation de séquences dapprentissage occupant 1/6ème des slots temporels (partie V.1) et le schéma de codage canal décrit dans la partie IV.
Eb/N0 requis (voir 4.8)3.5T0 température ambiante 300KTe température équivalente de bruit du récepteur457KGe gain de lémetteur0dBGr gain du récepteur12dBFp fréquence porteuse2.4GhzD distance émetteur récepteur1KmRs débit symbole (1.12).(204/188).(4/3).(6/5).0.51Mb/sPr min = Rs.k..No.(Te+T0).(Eb/N0)-102 dBmPour une transmission en espace libre
Pe = Pr.(1/Ge).(1/Gr).( 4.(.D/()2-13.95 dBmPour une transmission terrestre mobile
Pe ~ Pr.(1/Ge).(1/Gr).(D)46 dBm
(4 mW)Pour une transmission sans visibilité (loi de Rayleigh) on observe de 5 à 40 dB datténuation plus de 5 à 20 dB de pertes dues aux masquages.16dBm< Pe