Propagation des ondes

1. NOTIONS DE BASES
SUR LES ONDES
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2. PRINCIPE D’ONDE
 « Onde » vient d’ondulation qui représente la
fluctuation régulière d’un élément dans le temps
 Une pierre qui tombe dans de l’eau crée une onde
qu’on voit sous forme d’une petite vague
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3. CARACTÉRISTIQUES D’UNE ONDE
 Toute onde a des caractéristiques physiques:
 Période
 Fréquence
 Amplitude
 Longuer d’onde
 Phase
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4. LA PÉRIODE
 La période (symbole T) représente le temps
nécessaire à l’onde pour revenir au point de
départ
 Une période couvre le passage de l’onde par un
maximum (+A) et un minimum (-A)
 Une période représente un cycle
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5. LA FRÉQUENCE
 Représente l’inverse de la période f=
1
𝑇
(T en
seconde)
 Sur une seconde combien de période nous donne
cette onde
 Elle est donné en Hertz noté Hz
 Si une onde a une période de 20ms :
 F=1/20ms => F= 50Hz => on a 50 cycles toute les
secondes
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6. LA FRÉQUENCE
 Quand la fréquence augmente la période
diminue, on aura donc une onde plus serrée
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7. L’AMPLITUDE
 Dans une onde l’amplitude indique son niveau
d’énergie maximal par rapport à sa valeur
moyenne ( 0 dans l’exemple)
 L’unité de mesure dépend de la nature de l’onde
 Si c’est une onde électrique on dit que l’amplitude
est en Volt comme dans l’exemple 5V
 Dans un réseau sans fil l’amplitude est
représentative de la puissance de l’onde, elle est
donnée en mW ou en dBm
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8. LONGUEUR D’ONDE
 Une onde électrique se déplace dans les câbles ou
dans l’espace
 La distance que va parcourir l’onde durant une
période ( ou un cycle) représente la longueur de
cette onde λ, elle s’exprime en m
 Elle dépend de la fréquence f et de la vitesse de
propagation dans le support notée c (célérité)
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9. LONGUEUR D’ONDE
 La longueur d’onde est calculée par :
λ=
𝑪
𝑭
 On peut voir que plus la fréquence est grande plus la
longueur d’onde sera petite
 La vitesse de propagation en m/s varie en fonction du
support de transmission, elle est plus grande dans
l’air que dans un câble
 Dans le cas d’une propagation dans l’air, la vitesse de
l’onde va changer en fonction des obstacles quelle va
traverser
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10. LONGUEUR D’ONDE
 La vitesse de propagation de l’onde
radioélectrique dans l’air est de c= 3.108m/s
 Si une onde a une fréquence f=150Mhz
 La longueur d’onde λ= c/f= 2m
 Plus la longueur d’onde est grande par rapport à
un obstacle, plus l’onde radioélectrique le
contournera facilement.
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11. LA PHASE
 La phase ou plus généralement le déphasage
 On parle du déphasage d’un signal par rapport a
un repère
 On peut parler de la phase par rapport à l’état
initial de l’onde
 On parle également de déphasage entre deux
ondes ou plus
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12. LA PHASE
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 Deux ondes en phase donnent une onde plus
puissante
 Deux ondes en opposition s’annulent

13. LES ONDES DANS LES RÉSEAUX SANS FILS
 On dit qu’une onde se propage, elle avance dans
un support physique
 Le support physique des réseaux sans fils est l’air
ambiant
 L’onde générée et envoyée dans l’air est une onde
électromagnétique
 Le premier phénomène électromagnétique a été
découvert par un chimiste danois en 1821 Hans
Christian Orsted 13
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14. LES ONDES DANS LES RÉSEAUX SANS FILS
 Le domaine des radiocommunications est réglementé
par l'Union internationale des télécommunications
(UIT), il définit ce qui suit:
 Ondes radioélectriques ou ondes hertziennes : «
ondes électromagnétiques dont la fréquence est par
convention inférieure à 300 GHz, se propageant dans
l'espace sans guide artificiel » ; elles sont comprises
entre 9 kHz et 300 GHz qui correspond à des
longueurs d'onde de 33 km à 1 mm.
 Toutes les ondes quelques soit leur fréquences sont de
même nature physique, seul les appellations
changent 14
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15. LES ONDES DANS LES RÉSEAUX SANS FILS
 Les ondes de fréquence inférieure à 9 kHz sont
des ondes radio, mais ne sont pas réglementées.
 Les ondes de fréquence supérieure à 300 GHz
sont classées dans les ondes infrarouges
 Chaque type ou technologie radio utilise une
certaine fréquence pour fonctionner
 L’utilisation des fréquences est très réglementer
et est propre à chaque continent/pays
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16. SPECTRE RADIOFRÉQUENCE
 Les ondes radio sont manipulées par leur fréquence
 L’ensemble de ces fréquences est appelé spectre
radiofréquence
 Ce spectre est divisé en petite bande normalisées
 Le wifi par exemple utilise les bandes de fréquences
autour de 2,4Ghz, 5Ghz et dernièrement 6Ghz
 Les sons audibles sont dans la bande 30 Hz à 30 kHz.
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17. PROPAGATION DES ONDES
 Les ondes radio se propagent dans l’air libre,
cette propagation est le phénomène qui permet
d’effectuer les transmissions sans fils
 L’ étude de ce phénomène est donc une partie
très importante dans la conception des systèmes
communicant
 Durant sa propagation une onde devra rentrer en
contact avec plusieurs matériaux, cela induit des
perturbations
 On parle de « Path loss » 17
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18. PROPAGATION DES ONDES
 L’étude de la propagation des ondes implique de
prendre en considération les phénomènes
suivants:
 Réflexion (fading) des ondes radio
 Réfraction des ondes radio
 Diffusion des ondes radio
 Atténuation des ondes radio
 La zone de Fresnel
 La rotondité de la Terre
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19. FADING
 Une onde qui rencontre une surface peut être
réfléchit comme un rayon du soleil qui frape un
miroir
 Cette réflexion entraine un changement de
direction de l’onde initiale
 La puissance de l’onde est également diminuée,
ce qui diminue la porté du signal
 Ce phénomène peut être exploité dans certaines
conditions pour améliorer notre transmission 19
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20. FADING
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21. RÉFRACTION
 Ce phénomène correspond à un changement du
milieu de propagation de l’onde
 Cela est dû à la différence
des vitesses de propagation
de chaque milieu
 Chaque milieu aura un
indice de réfraction n
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22. RÉFRACTION
 La déviation est donc le changement d’angle
 n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2)
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23. DIFFUSION
 Si l’onde rencontre une surface non homogène,
elle sera renvoyé vers plusieurs directions

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24. ATTÉNUATION
 Plus une onde s'éloigne de son point de départ
(création) plus son amplitude diminue
 Cela est dû à la dispersion spatiale
 Plus l’onde se disperse moins elle va loin
 Des antennes spéciales permettent de diminuer
la dispersion, on les appels antennes directives
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25. ATTÉNUATION
 Il est possible de quantifier cette perte avec la
formule suivante :
Ploss= 𝟏𝟎𝑳𝒐𝒈 (
𝟒 𝒅.𝒑
𝒍
)
 Ploss est notre perte en dB
 d la distance parcouru en mètres
 l la longueur d’onde de l’onde en mètres
 p la puissance d’émission en W
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26. ZONE DE FRESNEL
 La zone de Fresnel est une ellipsoïde qui se forme
entre l’émetteur et le récepteur
 Si un obstacle se trouve dans cette zone le signal
ou l’onde envoyé sera perturbé et affaibli
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27. ZONE DE FRESNEL
 D correspond à la distance entre l’émetteur et le
récepteur
 Pour avoir la meilleur réception il faut avoir le
récepteur sur l’ellipsoïde, ou plus simplement
être sur le rayon r
 r= √(λ𝐷)
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28. LA ROTONDITÉ DE LA TERRE
 Si une transmission se fait sur une très grande
distance, il faut prendre en compte le fait que la
terre est ronde
 On peut avoir le cas où il n y a pas de ligne
directe entre émetteur et récepteur appelé LOS
(Line Of Sight) 28
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29. LA ROTONDITÉ DE LA TERRE
 Les différentes couches qui forme l’atmosphère de
la terre vont renvoyer les ondes et contribuer à la
propagation
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30. LA MODULATION
 La transmission se fait sur une certaine
fréquence, cette dernière varie selon la bande
qu’on utilise
 L’information a envoyer a toujours une même
grandeur
 Comment envoyer une telle information sans
changement quelque soit la bande de fréquence
utilisé ?
 La solution c’est La Modulation 30
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31. LA MODULATION
 En pratique et dans les réseaux sans fils, la
transmission nécessite une antenne
 L’antenne doit avoir une longueur de l’ordre de la
moitié de la longueur d’onde, plus la fréquence
est petite plus l’antenne doit être grande
 Pour une onde qui a une fréquences F > 100 MHz
soit des longueurs d'onde λ = c / F donc λ< 3.108 /
108 => antenne de moins de 3m
 Pour des fréquence F< 20Mhz on a des longueurs
d’onde de 6Km soit des antenne de plus de 3Km !
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32. LA MODULATION
 Dans une modulation d’onde on a :
 La porteuse : c’est l’onde qui va porter la donnée
à envoyer, cette onde aura un de ses paramètres
modifier ( Amplitude, Fréquence ou phase), et
nous donnera un type de modulation
 Le signal modulant : c’est l’information à
transmettre
 Le signal modulé: c’est le signal final à envoyer
après modulation 32
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33. LA MODULATION
 La porteuse est de forme sinusoïdale
 Le signal modulant peut être analogique ou
numérique
 Le signal modulé sera lui aussi sinusoïdale
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34. LES TYPES DE MODULATION
 Une sinusoïde est donnée par : U=V sin(wt+θ)
 U valeur instantané de la tension
 V valeur crête de la tension
 W pulsation = 2 л f
 t l’instant considéré
 θ l’angle de déphasage en radian
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35. LES TYPES DE MODULATION
 Suivant le paramètre modifier on obtient les
modulation suivantes :
 Si on modifie V on obtient une modulation
d’amplitude (AM)
 Si on modifie F on aura une modulation de
fréquence (FM)
 Si on modifie θ on obtient une modulation de
phase (PM) 35
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36. MODULATION AM
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37. MODULATION FM
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38. MODULATION PM
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39. LA MODULATION NUMÉRIQUE
 La modulation numérique permet pour une
même largeur de bande de transmettre plus
d’information
 Elle est également moins sensible aux
perturbations ( bruits, interférences…) car elle
prend un nombre finit d’états
 La porteuse est toujours une sinusoïde, et on doit
modifier les même paramètres que pour la
modulation analogique
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40. LA MODULATION NUMÉRIQUE
 Amplitude Shift Keying (ASK) ou modulation par
déplacement d'amplitude
 Frequency Shift Keying (FSK) ou modulation par
déplacement de fréquence
 Phase Shift Keying (PSK) ou modulation par
déplacement de phase (MDP)
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41. LA MODULATION NUMÉRIQUE
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42. PHASE SHIFT KEYING À M ÉTATS (M-PSK)
 La version la plus simple est la modulation avec un
signal binaire on parle de BPSK
 Si on code 2 bits on aura une porteuse à 4 phases on
parle de 4PSK ou QPSK
 Avec 3 bits on a du 8PSK, on peut aller jusqu’à
32PSK
 Si on augmente trop le nombre de phase, le récepteur
aura plus de difficulté à distinguer les symboles
transmis 42
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43. PHASE SHIFT KEYING À M ÉTATS (M-PSK)
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44. MODULATION AMPLITUDE PHASE À M
ÉTATS (QAM)
 Afin de dépasser la limite du 32PSK, on fait
appel a une nouvelle modulation dénommé QAM
(Quadrature - Amplitude – Modulation)
 Un modulateur QAM est composé de deux
modulateurs ASK utilisant des porteuses en
quadrature.
 Un signal QAM est le signal résultant de la
somme de deux signaux modulés en ASK par des
porteuses déphasées de 90° (л/2).
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45. MODULATION QAM
 Si on veut envoyer 3 bits par symbole => 8 états
 On va avoir du 8QAM qui est obtenue avec deux
niveaux d’amplitude et quatre phases
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46. MODULATION QAM
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 Si on veut envoyer
Avec 8QAM:
 100|001|011|110

47. MODULATION QAM
 La représentation des différentes possibilités sur
les axes (X,Y) est appelé diagramme de
constellation QAM.
 Le nombre x avant le type de modulation xQAM
représente le nombre de points de la constellation
 Ce nombre x est puissance de 2
 Il va de 21 (2QAM) jusqu’à 212 (4096QAM)
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48. ERREUR DE MODULATION QAM
 Comme la transmission n’est pas parfaite, des
erreurs peuvent survenir
 Les points sur la constellation sont décalés
 On calcul l’erreur grâce au Modulation Error
Ratio (MER
 C’est le rapport, en dB, de la puissance moyenne
du signal et la puissance moyenne de l'erreur
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49. ERREUR DE MODULATION QAM
 MER(dB)=10log10(
𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
𝑃𝑒𝑟𝑟𝑒𝑢𝑟
)
 Un petit MER (Modulation ERror) implique un
gros nuage de points sur la constellation, et donc
beaucoup d’erreurs de modulation
 Un grand MER implique un petit nuage de
points sur la constellation, et donc peut d’erreurs
de modulation
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50. MULTIPLEXAGE
 FDM Frequency Division Multiplexing:
Le canal de transmission est découpé en
fréquence, chaque utilisateur utilise sa
fréquence tout le temps
 TDM Time Division Multiplexing:
Chaque utilisateur a tout le canal mais durant
une partie du temps
 CDM Code Division Multiplexing:
Chaque utilisateur a tout le canal pendant
Tout le temps, mais on utilise pour chacun
un code propre à lui
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51. OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY-
DIVISION MULTIPLEXING)
 Est une technique de codage par répartition du
signal à envoyer sur de multiples sous-porteuses
orthogonales entre elles
 Nécessité d’avoir une synchronisation parfaite
entre émetteur et récepteur pour garder
l’orthogonalité
 Permet d’utiliser des sous porteuses très proches
sans créer d’interférence entre elles
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52. OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY-
DIVISION MULTIPLEXING)
 Bande passante presque complétement utilisée
 Le signal est dupliqué sur différentes sous porteuses
 Si des sous porteuses sont perdu le signal peut être
reconstruit
 Chaque sous porteuse a sa propre modulation ( PSK,
QAM…)
 Utilisé dans les systèmes de transmissions sans fil et
mobiles à haut débit de données
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53. OFDM (ORTHOGONAL FREQUENCY-
DIVISION MULTIPLEXING)
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54. BIBLIOGRAPHIE
 Guide d’initiation à la technique radio à
destination des associations agrées de sécurité
civile, Andre PIOCH, Décembre 2019
 Notion de propagation d'une onde radio, Virginie
Perilhon, XERIUS, December 2016
 Les ondes radios, Wikipedia Janvier 2021
 Propagation des ondes, Wikipedia Janvier 2021
 Radio Propagation Concepts, wiki yateBts,
janvier 2021
 Propagation of Radiofrequency Waves in Space,
Bernard Démoulin, OpenEdition Journal
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