3- Principes Radio

7/31/2019 3- Principes Radio

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1. Rappels :1.1- Diffrents types de liaisons

1.2- codage de sources

1.3- codage de canal

1.4- Accs multiples et modulations

2. Spectre : utilisation & applications3. Diffrent types de liaisons

3.1- Architecture gnral dun canal de transmission

3.2. Architecture gnral dun canal radio-mobile

3.3. Architecture gnral dune liaison Faisceaux Hertziens

3.4- Architecture gnral dune liaison par satellite

1. Rappels :1.1- Liaison physiqueLa liaison physique permet dtablit une connexion physique entre deux quipements detransmission et de rception .

Modes d'exploitation : il existe plusieurs modes dexploitation et de transmission :

Le mode simplex Le mode half duplex Le mode full duplex

Le mode simplex : dans le mode simplex la transmission est unidirectionnelle soitdun point un autre soit dun point vers plusieurs point (diffusion) ; exemple : laradiodiffusion ou la tldiffusion.

Le mode half duplex : dans ce mode la transmission est bidirectionnelle lalternat : a chaque extrmit de la liaison lquipement terminal est un metteur /rcepteur, donc alternativement la transmission se fait du point A vers le point B etinversement sur un seul canal. Exemple du talkie-walkie.


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Le mode full duplex : dans ce mode la transmission est bidirectionnelle : a chaqueextrmit de la liaison lquipement terminal est un metteur / rcepteur, latransmission se fait du point A vers le point B et inversement de faon continue sursur deux canaux diffrents ; Exemple des communications tlphoniques..

1.2- codage de sourcesLe codage sert adapter au mieux linformation aux caractristiques du canal.

Il existe deux types de codage :

Le Codage de source : permet de rduire de la taille du message afin dliminer lesredondances contenue dans le signal sans toucher la quantit dinformation ( enthorie de linformation on trouve cette dfinition : transformer les symboles de sortie

dune source discrte dinformation en une squence de lettres prise dun alphabet decodage). Codage de canal :permet dadapter la bande du signal la bande passante du canal,

dinsrer des bits supplmentaires afin de permettre une transmission avec correction

derreurs (exemple ; bit de parit ou CRC).

Le codage de source na de sens que si le code est dchiffrable, cd si il est :

Dfini : 2 messages diffrents sont cods par 2 mots diffrents Sparable : la coupure entre chaque mot peut tre place entre chaque mot

Un code irrductible vrifie la rgle du prfixe : un mot ne doit pas tre le dbut dun

autre.Messages Code 1 Code 2 Code 3 Code 4 Code 5 Code 6

a 00 00 0 0 0 1

b 01 01 1 10 01 01

c 00 10 00 110 011 001

d 11 11 11 111 0111 0001

Code 1 : non dfini


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Code 2 : dfini et sparable Code 3 : dfini mais pas sparable Code 4 et 6 : dfini et irrductible Code 5 : dfini, sparable mais pas irrductible

1.3- codage de canal (Code en Ligne)Le codage de canal permet la mise en forme lectrique des symboles transmis. Il permet defaire la correspondance entre le symbole dun message et les impulsions lectriques

rellement transmises ?La mthode de codage doit fournir au signal transmis les avantages suivants : Une modification de loccupation spectrale afin de ladapter au support de

transmission ( la bande passante du support). Permettre de synchroniser lhorloge du rcepteur sur le flux binaire reu Ajouter de la redondance au code pour la dtection derreurLes diffrents codes en ligne utiliss en transmission en bande de base sont : NRZ (Non Return to Zero) NRZI (NRZ Inverted) Manchester Manchester diffrentiel Miller Bipolaire simple1.4- Modulations numriques

Rappel :

1.4-1.

transmission sur frquence porteuse et Modulation :Dfinition : On appelle transmission sur frquence porteuse une transmission avecmodulation analogique du signal.

La modulation consiste transposer le signal initial en bande de base en un autresignal situ une haute frquence sans en modifier son contenu informatif.Lamodulation utilise gnralement 2 signaux :

Le signal en bande de basequon appellesignal modulant ou message (BF) un signal HF appel porteuse


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La figure ci-dessus montre la transposition de frquence dans les cas de modulation etde dmodulation.

La modulation peut tre :

1. soit une modification radicale du signal lui-mme et utilisant des moyensnumriques, notamment lchantillonnage (modulation par impulsions),

2. soit une transposition plus ou moins directe du spectre du message vers les HF(modulation d amplitude, de frquence ou de phase)

3. soit une combinaison des deux techniques prcdentes (Wide Band CodeDivision Multiple Access: W-CDMA)

1.4-2. Modulation analogiqueLa modulation est base sur une opration non linaire (cf distorsion dintermodulation).

En gnral, il sagit dune opration de multiplication dun signal par une porteuse.

Si le signal modulant est simple raie : () = (0)

ttA

tU

ttttA

tU

ttAtUtUtU

MPPME

MPPME

PMPME

coscos2

coscos2

coscos)()(


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Si le signal modulantest un signal occupant une bande 1,2:

1.4-3. DmodulationsLa dmodulation seffectue en rception pour rcuprer le signal modulant en

deux tapes: premirement le signal reu est encore une fois modul par une

porteuse rcupre (dmodulation synchrone) partir du signal reu suivant le

schma suivant :

Le signal UD comporte des translat de fp vers 2fp et fp-fp=0 comme le montre la figure ci-dessous dans le cas le signal modulant est simple raie : () = (0) :

ttA

tU

ttttA

tU

ttAtUtUtU

MPPME

MPPME

PMPME

coscos2

coscos2

coscos)()(


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Le signal UD comporte des translat de fp vers 2fp et fp-fp=0 comme le montre la figure ci-

dessous dans le cas le signal modulant est un signal occupant une bande ,:

1.4-4. Avantages de la modulation : Adaptation du signal modul aux caractristiques frquentielles du canal de

transmission

Rayonnement possible a laide dune antenne Transmission longue distance possible (via les liaisons satellites ou FH) Moindre sensibilit au bruit et parasites externes Transmissions simultanes : possibilit de multiplexage frquentiel1. Inconvnients de la modulation : Systmes plus complexes : risque daugmentation de la dgradation du signal due

aux quipements

Bande de frquences lmission plus importante que celle du message

1.4-5. Exemples de modulations

Modulations analogiques (analog modulation) Modulations par saut (shift keying modulation)


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Modulations par impulsions (pulse modulation Modulations par Impulsions et CodageMIC (Pulse Code Modulation -

PCM)

1.4-6. Comment slectionner une modulation ?Quelles sont les critres qui vont permettre un ingnieur destlcommunications de choisir une modulation ? le choix dpend de

La Nature du signal transmettre : analogique ou numrique. De lefficacit en terme de puissance et dbit De loccupation spectrale et de lefficacit spectrale De la Rsistance de la modulation au bruit qui diminue quand le

nombre dtats par symbole augmente(minimiser la probabilit derreurpour une communication numrique)

De la Complexit / cot des quiepements1.4-7. Modulation numriques :

Les modulations numriques permettent daugmenter lefficacit spectrale pour

palier la Limitation des bandes passantes des canaux qui implique une limitationdu dbit binaire. Les modulations permettent daugmenter le dbit sans augmenterla bande passante. Ceci est possible grce au regroupement de plusieurs bits pourformer des symboles qui seront moduls par une modulation analogique une oudeux porteuses.

Modulation numriques base de M symboles complexes forms de N bits, o

Dure dun symbole Ts

MlogTT 2bS

NM 2


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o Tbest la dure dun bit

Efficacit spectrale

O Db est le dbit binaire et B est la bande du signal modul

Exemple 1: Modulation par Dplacement dAmplitude MDA (ou ASK) uneporteuse

Exemple 2: Modulation par Dplacement dAmplitude MDA deux porteuses

a. Les critres de choix d'une modulation numrique sont : La constellation qui suivant les applications mettra en vidence une faible

nergie ncessaire la transmission des symboles ou une faible probabilitd'erreur.

L'occupation spectrale du signal modul. La simplicit de ralisation (avec ventuellement une symtrie entre les

points de la constellation).

B

DHz/s/bits

b

10 1 0 1 1

porteuse

Signal modul

Symbole

Modulation damplitude une porteuse

1001 11 00 11 10

Porteuse 1

Signal modul 1

Porteuse 2

Symbole

Signal modul 2

Modulation damplitude deux porteuses


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1.5- Accs multiples ou multiplexageLaccs multiple ou multiplexage est un moyen courant en tlcommunications

pour optimiser lutilisation du canal de transmission en regroupant plusieurssignaux transmettre sur soit sur une bande de frquence, soit en les entrelaant

dans le temps de faon cyclique, soit sur tout le bande alloue en leur attribuantdes codes orthogonaux .

Lobjectif est doptimiser lusage des canaux de transmission c'est--direpermettre la transmissions simultanes d'un maximum dinformations sur le mmecanal de communication. Ceci permet le Partage des ressources et permet larduction des cots (Intrt du point de vue conomique).

Exemple le plus simple est le canal Duplex : qui permet le partage du canal pour2 utilisateurs simultanment.

Plusieurs techniques de multiplexage et daccs coexistent : TDMA, FDMA,CDMA.

Multiplexage par rpartition en frquences :MRF (ou FDMA enanglais)

Multiplexage par rpartition temporel :MRT (ou TDMA ) Multiplexage temporel statistique Multiplexage dans le code CDMA

1.5-1. Multiplexage par rpartition en frquences :MRF (ou FDMA en anglaisPrincipe:

Dcouper la bande passante dun canal en plusieurs sous-bandes Chaque sous-bande est affecte une voie de transmission donc un

signal

Chaque signal est transpos par une modulation damplitude laide dune porteuse qui le

placera dans la sous bande dsire conformment au figures ci-dessous


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1.5-2. Multiplexage par rpartition dans le temps :MRT (ou TFDMA en anglais )Appel souvent TDM (Time Division Multiplexing)

Principe :Des bits ou (des octets) sont prlevs successivement sur les diffrentesvoies relies au multiplexeur pour construire un train de bits (ou doctets)

qui constituera le signal composite


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Le Multiplexage par rpartition dans le temps utilise le faite quun signal qui subit

lopration dchantillonage lors de sa conversion analogique numrique nestprsent que tous les 1/ pendant un court instant comme le montre la figure ci-dessous o est la frquence dchantillonnage. On utilise les intervalles detemps ou le signal nest pas prsent pour injecter dautres signaux (exemple du

MIC : entre deux chantillons dun mme signal ( = 125 ) on injecte 32intevalles de temps : 30 pour 30 signaux diffrents et deux intervalles de tempspour la synchronisation et la signalisation ( voir structure de la trame MIC ci-dessous .

Schma synoptique de TDMA

La structure de la trame MIC est dfinie comme suit :


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Le CCITT comit consultatif international de la tlphonie et tlgraphie anormalis les dbits des diffrents multiplexes temporels et a fix leurcaractristiques

Europe & Afrique : canal E1 (2.048Mb/s) Transmission TDM de 30 voies de 64kb/s

IT0 : service, alarme; IT16 signalisation des voies 256 niveaux de quantification ( loi A)

USA & Japon : 24 voies (1.544Mb/s) Canal T1 (Bell System) Voie de 56kb/s 127 niveaux de quantification ( loi )

Incompatible entre eux Interconnexion trs coteuse

Limitations de la PDH sont rsumes comme suit Manque de visibilit des affluents bas dbits. La technique de multiplexage est complexe en raison du

plsiochronisme des sources.

Les dbits proposs sont limits : le multiplexage ntant pas unsimple entrelacement de bits, la technologie des ASICs ne suit plus.

La trame PDH ne contient pas doctets rservs lexploitation.Sauf leCRC.

Pas de gestion standardise. Pas dinteroprabilit hauts dbits entre les continents puisque les

dbits sont diffrents.

1.5-3. Multiplexage par codage (CDMA) (Code Division Multiple Access) :ce multiplexage est utilis gnralement dans les canaux de transmission sans fil

(cellulaire, satellite, etc) (in wireless broadcast channels ).
http://www.epinard.free.fr/SDH/CRC.phphttp://www.epinard.free.fr/SDH/CRC.phphttp://www.epinard.free.fr/SDH/CRC.phphttp://www.epinard.free.fr/SDH/CRC.php


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Le principe du Multiplexage par codage (CDMA) est le suivant :

Un code unique est assign chaque utilisateur (voietlphonique)

Tous les utilisateurs utilisent la mme frquence, mais chaqueutilisateur a sonpropre code (appele chipping sequence) pourcoder les donnes

Le Signal cod en CDMA est obtenu en multipliant le signal transmettre (signal original )par la squence pseudo-alatoire quonappelle : (chipping sequence) : cest lopration dtalement despectre ; Tous les autres signaux transmis subissent talement du

spectre et se superposent sur un mme canal et ressemblent tous

du bruit. Le dcodage du signal reuqui est sur la mme bandes superpos

tous les autres signaux tals : seffectue laide duproduit du

signal cod reu avec la squence chipping: cest lopration de

dstalement de spectre du signal qui correspond la squence de

codage, les autres signaux restent tals et sont considrs comme

du bruit

Donc ce codage permet des plusieurs utilisateurs ( multiples) decoexister sur une mme par une transmission simultane avec desinterfrences minimales (si les codes sont orthogonaux) comme le

montre synoptiquement la figure ci-dessous :


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Accs multiplesCDMA

Le schma du codage/Dcodage CDMA est donn sur la figure ci-dessous:

Elargissement de la bande de frquence (talement du spectre): par exemple de60 MHz dans la bande des 2 GHz pour un dbit de de 100 kbit/s 500 kbit/s parusager.

1.5-4. Multiplexage temporel statistiquePrincipes :

Utilisateur 1

frquence

temps

Utilisateur 2

Utilisateur 3

Utilisateur N


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Le prlvement sur les diffrentes voies relies au multiplexeurnest plus cyclique, mais modifi dynamiquement en permanence

selon l'activit relle sur chacune delle

On rcupre la bande passante des voies inactives ceci impose detransmettre ladresse de la voie mettrice

Avantages : Signal composite de dbit Dt infrieur la somme des dbits des

voies relies au multiplexeur (Di), on parle de sur-allocation(overbooking) des voies

Le rapport Di / Dt est couramment de 4 5 Technique trs utilise pour les lignes spcialises

permanentes (LS)

2. SPECTRE RADIO2.1- Les organismes de normalisation

Si la concertation internationale pour l'usage des frquences s'impose naturellement pourcontrler les perturbations rciproques, par contre, leurs usages harmonis dans le cadre denormes identiques relve d'une volont politique. C'est ainsi qu'a t cr en Europe l'InstitutEuropen des Normes des Tlcommunications (E.T.S.I.), organisme qui rassemble parmi ses350 membres des usagers, des exploitants, des industriels et des rglementeurs. Son activit,limite l'laboration des normes europennes, volue vers une contribution l'tablissement

de normes mondiales en liaison avec deux autres grands organismes rgionaux denormalisation: comit T1 (FCC : Fdral consultative commission) aux Etats Unis et comitTTC au Japon.

2.2- Les frquences et les normesLa satisfaction des besoins exprims par la mise en oeuvre concerte des solutions techniquesretenues aboutissent des normes longuement discutes par les intervenants concerns quispcifient la faon d'utiliser chaque parcelle du spectre radiolectrique.

2.2-1. ATTRIBUTION DES BANDES de frequences CCIR:Le partage des frquences se fait :

Au Niveau international: Le mcanisme d'attribution des frquences relve de ladiplomatie internationale reprsente par les confrences Administratives Mondiales desRadiocommunications (CAMR), qui spcifient la faon d'utiliser et la rpartition de chaqueparcelle du spectre radiolectrique. Cette harmonisation des usages des frquences se faitpar l'mission d'avis et de recommandations du CCIR (Comit consultatif international deradiocommunication).

Au Niveau rgional: Un certain nombre de pays regroups dans des comits (CEPT :comit europen des administrations des postes et tlcommunications ou FCC : Fdralconsultative commission) poursuivent cet effort d'harmonisation qui influe sur le choix desautorits de chaque pays.


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Au Niveau national: Pour chaque pays, le gouvernement reprsent parl'administration des postes et tlcommunications donne des autorisations d'mission enindiquant la bande de frquences, les caractristiques techniques de l'metteur, et lesprotections des missions radiolectriques contre les parasites et les interfrences.Les ondes radiolectriques sont des ondes lectromagntiques dont les frquences sont

infrieures ceux de la lumire ou des rayons infrarouges. En gnral, leurs frquences sesituent entre 10 khz et 300 Ghz.

Bande de frquences Longueur d'onde Dsignation Applications

3 KHz - 30 KHz 100 Km - 10 Km Myriamtriques

VLF

Liaisonssous-marines

30 KHz - 300 KHz 10 Km - 1 Km Kilomtriques

LF

GO

300 KHz - 3 MHz 1000 m - 100 m Hectomtriques

MF

PO

3 MHz - 30 MHz 100 m - 10 m Dcamtriques

HF

OC

30 MHz - 300 MHz 10 m - 1 m MtriquesVHF

FM et TV

Tableau 1.1: Classification des ondes.

Bande de frquences Longueur d'onde Dsignation Applications

300 MHz - 3 GHz 1m - 0,1 m Dcimtriques

UHF

TV et FH

3 GHz - 30 GHz 100 mm - 10 mm Centimtriques

SHF

FH et TS

30 GHz - 300 GHz 10 mm - 1 mm Millimtriques

EHF

FH et TS

Tableau 1.2: Classification gnrale des micro-ondes.

Bande de frquences Longueur d'onde Dsignation


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300 MHz - 1 GHz 100 cm - 30 cm UHF

1 GHz - 2 GHz 30 cm - 15 cm L

2 GHz - 4 GHz 15 cm - 7,5 cm C

4 GHz - 8 GHz 7,5 cm - 3,75 cm S

8 GHz - 12,5 GHz 3,75 cm - 2,40 cm X

12,5 GHz - 18 GHz 2,40 cm - 1,67 cm Ku

18 GHz - 26,5 GHz 1,67 cm - 1,13 cm K

26,5 GHz - 40 GHz 1,13 cm - 0,75 cm Ka

Tableau 1.3: Classification dtaille des micro-ondes.

10 khz 30 khz 10 khz 150 khz fixe, mobile ,mobile maritime,radionavigation, aronautique

30 khz 300 khz 150 khz 285 khz radiodiffusion

radionavigation aronautiques

300 khz 3 Mhz 283,5 khz 315 khz

315 khz 405 khz

405 khz 526,5 khz

526,5 khz 1606,5 khz

1606,5 khz 3950 khz

Radiophare

Radionavigation aronautique



Radionavigation maritime

Radionavigation

Radiodiffusion

Fixe, mobile ,mobile maritime,

mobile aronautique

3 Mhz 30 Mhz 3950 khz 30 Mhz *


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30 Mhz 300 Mhz 30 Mhz 47 Mhz

47 Mhz 68 Mhz

68 Mhz 87,5 Mhz

87,5 Mhz 108 Mhz

108 Mhz 174 Mhz

174 Mhz 230 Mhz

230 Mhz 322 Mhz

Fixe, Mobile (spatial)

Radiodiffusion

Fixe, Mobile et RadionavigationAronautique

Radiodiffusion (Bandes II, FM)

* tous les services Radiodiffusion

Fixe, Mobile

300 Mhz 3 Ghz 322 Mhz 470 Mhz

470 Mhz 960 Mhz

960 Mhz 1.7 Ghz

Fixe, mobile et autres services

Radiodiffusion

(Bandes IV et V en TV)

Fixe, mobile(sauf aronautiques)

Radiodetection, radiolocalisation

Radionavigation aronautique/sat

Radionavigation maritime/sat

3 Ghz 30 Ghz

30 Ghz 300 Ghz

300 Ghz 3000 Ghz

**

**

**

Remarques:

* Tous les services chacun ayant un certain nombre de bandes afin de permettre des liaisonsdans toutes les conditions de propagation.

** Tous les services chacun ayant une bande en exclusivit ou en coproprit.( FH, SAT,Diffusion, Dtection, Amateur, etc.)


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Spectre des frquences

2.3- utilisation des Les frquences radio:La transmission en BB prsente des inconvnients :

Elle nest pas la solution optimale car le canal prsente de mauvaises caractristiques(bruits, distorsions, absorptions, ).

Elle est sensibilit aux parasites (bruits en 1/f) Ne permet la transmission lair libre pour signaux BF Si la liaison se fait par cble ou par fibre optique sont cot sera lev car elle ne transmet

quun signal. Il est Impossible de partager un mme canal par plusieurs sources (ne peut pas

tre multi-utilisateurs) .

L'mission sur les frquences radio se base sur la transmission sur frquence porteuse. Plus la

frquence augmente plus la bande passante augmente (donc un dbit de donnes important) sans

pour autant une consommation excessive de la ressource spectrale.

L'mission en hyperfrquences (FH ou satellite) est idale pour une liaison point point .puisqu'elle

permet facilement la concentration d'un faisceau d'ondes radio dans une direction bien prcise. Le

rayonnement radio ne "pollue" pas les alentours inutilement.L'utilisation du spectre radio est

optimise dans ce type de liaison

2.4- les applications utilisant les frquences radio: Rseaux d'oprateurs de tlphonie publique Rseaux d'oprateurs de tlphonie radio cellulaire : ( G.S.M, EDGE,

GPRS, et U.M.T.S. - ...

Rseaux d'infrastructures de scurit : Dfense, police, scurit civile... Rseaux linaires longue distance : Pipe-line, lectricit, eau..


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Rseaux privs indpendants : Banques, hpitaux, universits, collectivitslocales, ...

2.5- Diffrents types de liaisons Les Communications mobiles : (900 MHz , 2 GHz), Les faisceaux hertziens transhorizon: (de 100 Mhz 4 GHz) Les faisceaux hertziens terrestres : (ou en visibilit directe) (de 1,7 50

GHz)

Les faisceaux hertziens satellitaires (de 3 30 GHz)Ces diffrents types de liaisons sont reprsentes dans la figiure ci-dessous :

2.6- Caractristiques des canaux de transmission :2.6-1. larchitecture gnraleLarchitecture gnrale dun canal de transmissionest donne dans la figure ci-dessous:


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2.6-2. La tlphonie mobile : Le GSM

(Global systme for Mobile communications):

Le spectre du GSM 900 est donn ci-dessous : Il est divis en deux sous bandes (800-915) MHz pour les mobiles pour les liaisons montantes vers les stations de base et(925-960) MHz pour les liaisons descendantes de la station de base vers les mobiles.Lcart dun canal duplex est de 45 MHz. Le nombre de canauxradiofrquences estde 124 (174)


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Les caractristiques du systme GSM sont

L architecture gnrale dun canal radio-mobile est donne dans la figure ci-

dessous

2.6-3. Liaison par faisceaux hertziens2.6-3.1. Caractristiques:

Porte : quelques dizaines de km ( max de 50kmen fonction de la hauteurdes antennes,...)

Support : Ondes radio Type de transmission

o transposition de frquence type MRFo plage de frquences pour la porteuse : 1,7 40 GHz

metteurs faible puissance (1 W) Utilisation de technique de cryptage (maintien de la confidentialit)

2.6-3.2. lArchitecturegnral dune liaison faisceaux hertziens


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2.6-4. Liaison par Satellite :2.6-4.1. Caractristiques:

Satellites sont du type gostationnaires ( orbite 36 000 km au dessus delquateur)

Bandes de frquences attribues :Liaison descendante

(down link)

Liaison montante

(Up link)3.7 4.2 GHz

5.925 6.425 GHz

12 14 GHz

20 30 GHz

Dbits accessibles aux utilisateurs : plusieurs Mbit/s Dlai de transmission relativement important (250 ms) Antennes de diamtre 4.80m - 6.30m en bande Ku, 11m - 13m voir plus en

bande C, taient des tailles couramment utilises Puissance :

o < 10 W (satellites tlcom.)o > 500 W (satellites tldiffusion)

Technique de cryptage indispensable (maintien de la confidentialit)

2.6-4.2. Schma synoptique dune liaison Satellite


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