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Les faisceaux hertziens

Généralités

Les systèmes radio sont des supports de transmission qui utilisent la propagation des ondes radio électriques pour véhiculer les informations d’un point à un autre, on les appelle généralement faisceaux hertzien. Dont un faisceau hertzien est un système de transmission numérique ou analogique, entre deux points fixes par ondes électromagnétique de l’espace. Les ondes utilisées par ces systèmes sont très courtes (ondes radioélectriques très fortement concentrées à l’aide d’antennes directives. Pour la communication terrestre on utilise : 1,5 à 30 GHz, il peut aussi commencer à des fréquences 400 MHz à 1000 GHz) dont l’affaiblissement croît comme le carré de la distance (moins rapidement que sur un câble où l’affaiblissement est exponentielle). Leur propagation est limitée à l’horizon d’où ces proches (liaisons points à point) entre station en visibilité.
Du fait de l’absence de tout support physique entre les stations, les faisceaux hertziens peuvent surmonter plus facilement des difficultés des parcours et franchir des obstacles naturels tels que : étendues d’eau, terrains montagneux, terrains fortement brisés etc. Par rapport aux systèmes sur câbles à coaxiales qui transmettent directement la bande de fréquence résultant du multiplexage, les FH nécessitent une modulation supplémentaire pour faire porter cette bande de base par les ondes radioélectriques hyperfréquences.
Le faisceau est un support de type pseudo-4 fils. Les deux sens de transmission sont portés par des fréquences différentes. Pour des raisons de distance et de visibilité, le trajet hertzien entre l’émetteur et le récepteur, amplifient et remettent le signal modulé vers la station suivante.  

Les liaisons radioélectriques

Les liaisons radioélectriques utilisent la propagation des ondes électromagnétiques dans l’air libre. Elles ont l’avantage de ne pas nécessiter de lourds travaux d’infrastructure. Cependant le support utilisé est commun à tout le monde. Les bandes de fréquence représentent donc une ressource rare et leur utilisation est réglementée par des organismes officiels nationaux. Etant donné que les bandes de fréquence utilisées sont imposées, le signal à transmettre sera toujours transposé en fréquence par modulation.
Une liaison peut s’établir en visibilité directe entre plusieurs stations sur des points hauts. Elle a une portée variant de 10 à 60 Km, mais la distance qui est souvent utilisée est de 50 Km.

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d = distance en Km
He = hauteur de l’antenne d’émission en m
Hr = hauteur de réception en m

Le bon fonctionnement des liaisons FH est conditionné par les caractéristiques des bonds radioélectriques entre les stations et par celle des antennes utilisées. Ces bonds sont en visibilité directe donc dégagées de tout obstacle et avec des réflexions, des phénomènes de réfraction et de diffraction négligeables.
On peut classer les FH en deux catégories:

  1. Les FH analogiques utilisés principalement pour:
    • La transmission des multiplex analogiques dont la capacité va de quelques voies téléphoniques à 2700 voies téléphoniques
    • La transmission des images TV, et des voies de sons qui leur sont associées et aussi d’autres signaux tels que les données.
  2. Les FH numériques qui acheminent principalement:
    • Des multiplex numériques dont les débits vont de 2 Mbits/s à 140 Mbits/s
    • Des données à grande vitesse
    • Le visiophone
    • La télévision codée, etc.

Les deux types de FH sont différents par nature de signaux qu’ils transportent et par leur type de modulation. Les plans des fréquences établis par le CCIR peuvent être utilisés indifféremment par les FHA ou les FHN.


Les fréquences porteuses

A l’exception de quelques systèmes fonctionnant dans les bandes 70-80 MHz (FH à bande étroites) et 400-470 MHz (FH à petite capacités), les faisceaux hertziens utilisent des fréquences supérieures à 1,5 GHz (ondes centimétriques). Entre 2 et 11 GHz, l’établissement des liaisons ne pose pas de problèmes majeurs (conditions de propagation, mais au delà de 11 GHz, il faut tenir compte de l’absorption par les hydrométéores. Cette absorption croît avec la fréquence et devient très importante aux alentour de 22 GHz. Ce qui limite les fréquences porteuses à 21 GHz mais certaines bandes des fréquences généralement comprise entre 2 et 1,5 GHz. Cette large gamme de fréquence est subdivisée en plusieurs parties appelées bande de fréquence. Chacune de cette bande étant décomposée en canaux dont la disposition est normalisée internationalement par le CCIR.

  • Chaque bande peut être divisée en deux spots bandes espacées par un intervalle de garde.
  • Le choix des sous bandes à utiliser pour l’émission er de celle à utiliser pour la réception dépend de l’utilisateur.
  • Les sous bandes sont à leur tour subdivisée canaux de 14 à 140 MHz de largeur (pour les FH de grande capacité) ou 7 MHz (capacité inférieure ou égale à 300 voies).
  • La disposition des canaux est normalisée par le CCIR.
  • Chaque canal a une capacité en fonction de sa largeur, qui peut aller jusqu’à un débit de 140 Mbits/s
    CCIR = Comité consultatif International des Radiocommunications

FHN à moyenne et forte capacité : bande 7,4 à 7,7 GHz (utilisée également par les FHA)
FHN à faible débit ( 2 et 8 Mbits):

  • Bande 2,1 à 2,3 GHz (subdivisée en six canaux espacés de 14 MHz)
  • Bande des 15 GHz (2 sous bandes de : 14,4 à 14,5 GHz et 15,25 à 15,35 GHz) possible de les subdiviser en 4 canaux de 10 MHz chacune.
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Les modulations utilisées en FH

Les équipements radio analogiques et numériques sont différent fondamentalement par le type de modulation qu’ils utilisent. Pendant que les FHA utilisent la modulation de fréquence, les FHN utilisent les modulations par sauts de phase ou multi états (multi niveaux) où modulation sur fréquence porteuse.

Modulation pour faisceaux hertziens analogiques

En modulation d’amplitude, l’information utile est véhiculée par l’amplitude du signal porteur. Or en réception, les éléments traversés par le signal présentent parfois des non linéarités en amplitude, ce qui altère la qualité du signal après démodulation. En plus cet inconvénient, en modulation d’amplitude, la propagation de la porteuse dans l’atmosphère entraîne des variations du niveau de réception d’où après la démodulation, le signal présente des parasites. En tenant compte de ces phénomènes, le choix s’est porté sur la modulation de fréquence pour les FHA car cette modulation ne présente par les défauts ci-dessus cités et en plus les modulations et démodulations de fréquence sont de réalisations plus faciles.

Modulation pour faisceaux hertziens numériques

Les modulations analogiques, mise au point pour adapter le signal analogique à son support de transmission ne peuvent pas être utilisé pour les signaux numériques. Il a été conçu pour ces signaux un type particulier de modulation dit modulation numériques ou modulation sur fréquence porteuse: ASK, FSK et PSK. Mais, c’est la modulation à saut de phase (PSK) ou modulation multi états qui est généralement utilisées. Aujourd’hui on trouve généralement le QPSK qui tend à être la norme pour la modulation sur fréquence porteuse. Cependant, pour mieux conserver la bande passante, la modulation QAM est aussi utilisée. Dans la modulation multi états, une porteuse SHF est également utilisé. Elle est sinusoïdale et peut donc être définie en termes d’amplitude, de fréquence ou de phase modulée par rapport à la phase ou à l’amplitude.
Dans un train binaire, lorsqu’il y a changement entre deux éléments binaires successifs, on procède à un changement d’état. Le signal binaire généralement a un rythme ou horloge. L’idéal serait d’avoir une modulation cohérente, mais, à des débits élevés, il est difficile de conserver la cohérence. La modulation est alors de type non cohérent.
En général, les FHN à moyenne et grande capacité utilisent une modulation 4 états de phase avec modulation d’une fréquence intermédiaire de 70 MHz ou de 140 MHz. Mais aujourd’hui la limite supérieure est connue seulement par le type de système de transmission.


Les équipements

En numérique comme en analogique, les équipements sont constitués principalement par le modulateur, l’émetteur, le récepteur et le démodulateur qui sont des équipements de traitement et de récupération du signal. Il existe également dans chaque cas des équipements de mise en forme du signal et des équipements auxiliaires qui sont différents.

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Les équipements de modulation

Analogique

Les modulateurs/démodulateurs utilisés en FHA sont des modems de fréquence. Malgré leur complexité et leur coût élevé, ils ont l’avantage d’être insensibles aux variations d’amplitude. Ils ont un meilleur rapport sur bruit (S/N). La fréquence intermédiaire utilisée par le modem est fixée de façon standard à 70 MHz (capacité inférieur ou égale à 1260 voies) et à 140 MHz (capacité > 1260 voies). Une FI standard permet l’utilisation des modems identiques tout le long de la liaison : maintenance et acquisition des pièces de rechange plus facilités.

Le modulateur

Il existe deux types:

  • Le modulateur à modulation directe : ici le signal bande de base est modulée directement sur la fréquence FI.

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  • Le modulateur à transposition de fréquence : ici la modulation est faite en deux étapes pour aboutir à la FI modulée. On utilise alors deux porteuses.

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Le bloc modulateur; en plus du modulateur proprement dit, comporte des cellules de préaccentuation du signal bande de base avant la modulation, un amplificateur du signal bande de base.

Le démodulateur

Son rôle est de transformer le signal modulé en fréquence qu’est la FI en un signal identique à celui qui a été modulé en fréquence à l’origine : le signal bande de vase. Cette conversion doit être linéaire, elle doit donc être insensible aux variations d’amplitude.

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Le limiteur

La modulation de fréquence est une modulation à enveloppe constante, et en plus, le discriminateur a une réponse en variation d’amplitude, d’où la nécessité pour un démodulateur FM quel qu’il soit, d’être toujours muni à l’entrée, d’un limiteur. Celui-ci est un circuit écrêteur dont le rôle est d’éliminer les variations parasites de l’amplitude du signal.

Le discriminateur

Le discriminateur prend le signal d’amplitude constante et de fréquence variable du limiteur et le convertit en un signal d’amplitude et de fréquence variable. Cette variation représente le signal bande de base original émis est obtenu après passage dans un détecteur qui est un circuit en amplitude.

Numérique

Les modems utilisés en FHN sont des modulateurs démodulateurs à saut de phase (PSK).

Le modulateur

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Exemple de modulateur 2-PSK : C’est un modulateur en anneau qui réalise l’inversion de phase.

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Le démodulateur

En numérique, la démodulation a pour rôle de déterminer la phase du signal modulé ou la différence de phase entre deux instant consécutifs. Après cette restitution, on procède à une régénération qui permet de retourner la valeur exacte de la phase (ou différence de phase) émise, et à un décodage dont le but est de restituer les n éléments binaires qui ont été mis à partir de la valeur de la phase ou de la différence de phase donnée par le régénérateur.

Les émetteurs récepteurs

Analogique

Les E/R utilisés en analogiques sont hétérodynes, c’est-à-dire que la modulation qui permet de transporter la bande de base dans la gamme des fréquences radioélectriques se fait en deux temps. On passe par une fréquence intermédiaire (FI). (C’est la FI que l’émetteur transpose en SHF). Cependant il existe des Emetteurs/Récepteurs (E/R) à modulation directe, ou le modulateur et l’étage émetteur sont incorporés dans le même boîtier. Dans ce cas-ci, le modulateur module directement à la fréquence émission et l’émetteur est réduit à un simple amplificateur.
Les inconvénients majeurs des E/R à la modulation directe sont de deux types:

  • Les structures des E/R sont différentes en station terminale et en station relais d’où l’obstacle à l’uniformisation des pièces de rechange.
  • L’amplification directe à la fréquence de fonctionnement est difficile à réaliser. D’où la préférence va aux E/R à transposition en fréquence. Ces E/R ont une même structure en terminale et en relais.

L’émetteur

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L’émetteur comprendra donc:

  • Un amplificateur du mélangeur émission AME
  • Un mélangeur émission ME
  • Un oscillateur local émission
  • Un amplificateur hyperfréquences
  • Des filtres en hyperfréquences

Le récepteur

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MR : mélangeur réception
OLR : Oscillateur local réception
PAFI : préamplificateur FI
AFI : Ampli FI
CTPG : Correction de temps de propagation
CAG : Contrôle automatique du gain.

Numérique

La plupart des équipements FHN à faible et moyen débit utilise une modulation directe en émission, mais en réception, le processus de démodulation passe toujours pour fréquence intermédiaire. Le principe de fonctionnement de ces E/R est le même qu’en analogique.


Liaison des émetteurs/récepteurs avec les antennes

Les E/R sont reliés aux antennes par des lignes de transmission et des éléments de branchement, qui permettent de regrouper tous les E/R sur un ou deux antennes selon le plan de fréquence choisi. Comme lignes de branchement, on a les guides d’onde ou des câbles coaxiaux, et comme éléments de branchement couramment utilisés, on peut citer les filtres d’aiguillage, les calculateurs, les coupleurs directifs, etc.


Les antennes

Les antennes sont des dispositifs de couplage entre une ligne de transmission et l’espace environnant servant de support de transmission. Elles peuvent être classées en deux grandes familles : les fils rayonnants et les surfaces rayonnantes. Dans le domaine des FH de fréquence supérieure à 1 GHz on utilise comme antennes des surfaces rayonnantes.
Il est possible de jouer sur le plan de fréquence proprement dit, mais aussi sur l’utilisation des polarisations V (verticale) ou H (horizontale) en utilisant les découplages d’antenne pour augmenter la capacité des liaisons.
Si on utilise une seule fréquence pour la transmission, il y aura des brouillages comme le schéma ci-dessous.

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Brouillage 1 : Le niveau fort F1 perturbe la réception du niveau F2 (filtrage insuffisant)
Brouillage 2 : Le niveau fort F1 perturbe la réception du niveau faible F1 (lobe arrière de l’antenne)
Brouillage 3 : Le niveau faible F1 perturbe la réception du niveau faible F1 (résistance aux brouillages co-canal)

Pour réduire les brouillages , les fréquences des émissions et des réceptions de ces antennes d’un relais à un autre et les croisements des polarisations dans chaque cas.

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On peut aussi employer des antennes très directives et ayant des lobes latéraux suffisamment bas où utilisation de 2 canaux différents pour la séparation des demi-bandes émission/réception : pour une antenne unique, 2 guides d’onde et un duplexeur.

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  • Chaque station d’une part regroupe tous les canaux servant à l’émission et d’autre part ceux servant à la réception
  • Ces 2 groupes doit être éloignés pour qu’ils puissent être séparé par filtrage.
  • Il faut une antenne et deux guides d’ondes par station.

Parfois on alterne des polarisations verticales et horizontales dans chaque groupe, cette liaison doit avoir 2 antennes et 4 guides d’onde par station et par direction (chaque guide d’onde n’achemine qu’un seul sens de transmission).

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1 décembre 2021
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