bases des communications analogiques et numériques...

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Travaux pratiques de Traitement du Signal et Télécommunications Ingénieurs 1 ère année de l’ESEO Durée : 8h Bases des communications Bases des communications analogiques et num analogiques et num é é riques riques Simulation d Simulation d une cha une cha î î ne de transmission avec MATLAB ne de transmission avec MATLAB Alain DEMANGE - Alain Le DUFF - Anthony SOURICE - Guy PLANTIER Département Electronique et Sciences Physiques

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Travaux pratiques de Traitement du Signal et Télécommunications

Ingénieurs 1ère année de l’ESEO

Durée : 8h

Bases des communications Bases des communications analogiques et numanalogiques et numéériquesriques

Simulation dSimulation d’’une chaune chaîîne de transmission avec MATLABne de transmission avec MATLAB

Alain DEMANGE - Alain Le DUFF - Anthony SOURICE - Guy PLANTIER

Département Electronique et Sciences Physiques

Alain DEMANGE - Alain Le DUFF - Anthony SOURICE - Guy PLANTIER - TP I1 -Bases en communications analogiques et numériques 2

Partie 1 : transmission analogiqueCaractéristiques générales de la transmission:

Amplificateur

Filtre limiteur de bande

toto .wavEchantillonnage à

FES

Source

Modulateur

Porteuse sinusoïdale

Freq. FPAmp. A0

Canal

Bruit

Fading

Démodulateur

Porteuse régénérée

Erreur Freq: FERRErreur Phase: PHIERR

Filtre passe bande

Source reconstituée

Emetteur

SIN : FSmin ; FSmax

SOUT , FEsim INRX

OUTEX

Récepteur

Fréquence d’échantillonnage pour la simulation :

FEsim = k*FES ≈ 200 kHz

k entier

SPRIMAIRE

Gain: GNiveau d’écrêtage:

Clip_Lvl

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Modulation DSB

1 + kA · SIN

SIN

DSB-SC:

DSB-TC:Canal

pRX(t) = A0 · cos(2π · (Fp + FERR) · t + PHIERR)

pEX (t) =A0 · cos(2π · Fp · t)

OUTEX INRX

SOUT

Détection d’enveloppe

DSB-SC

DSB-TC

Opérations à effectuer:

Traitement de la source

• Lecture de la source sonore et création d’un vecteur SPRIMAIRE de n valeurs représentatives des échantillons sonores de durées 1/FES : fonction matlab wavread. (remarque : les échantillons ont une valeur comprise entre 1 et - 1).• Sur-échantillonnage de la source: passage de n éléments à k*n éléments aveck = FESIM/FES .Fonction repmat. En déduire la fréquence d’échantillonnage FEsim .

• Définir les fréquences limites FSmin et FSmax du signal en bande de base SPRIMAIRE et le filtrer afin d’obtenir le vecteur SIN. Fonctions butter, cheby1, ellip, filter (filtrage numérique).• Créer un vecteur temps “t” couvrant la durée de la séquence sonore.• Tracer l’allure temporelle de SIN ainsi que sa densité spectrale de puissance. Fonctions plot et psd

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Modulation DSBOpérations à effectuer (suite):

Modulation

• Définir la porteuse en amplitude, en fréquence.• Calculer le signal de sortie OUTEX en fonction de la modulation recherchée et en vérifier les caractéristiques temporelles et fréquentielles. • Créer une distorsion d’amplitude par écrêtage du signal OUTEXà la valeur Clip_lvl.

Démodulation

• Démoduler le signal INEX = OUTEX par la méthode appropriée à la modulation réalisée. Vérifier les effets des deux méthodes de démodulation pour une modulation DSB-SC puis pour une modulation DSB-TC. En cas de démodulaion cohérente observer les effet des erreurs de fréquence et de phase sur le signal audio restitué SOUT. Fonction sound.• Observer les effets d’un éventuel écrêtage sur le signal démodulé.

Canal• Créer une variation lente du niveau de la porteuse modulée. Observation …• Ajouter un bruit de niveau contrôlable. Observation des effets dépendant du type de modulation, de l’indice de modulation …

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Modulation BLU: méthode de Weaver

TH

(−π

2)

TH

(−π

2)

p1 ↔ FP1

SIN

SIN−T−Q

SIN−T−I

+/- m

OUTEX−Q

OUTEX−I

Le modulateur précédent devient:

F

P

FP1F

P

FFP2

P

On choisira FP1 = 1/2 · (FSmin+ FSmax)

Vérifier que OUTEX-I ± OUTEX-Q conduit à la réalisation d’une modulation BLU. Effectuer les mêmes essais de perturbations dues au canal ou à l’amplificateur que précédemment.

p2 ↔ FP2

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Modulation angulaire φM ou FM

P+

_ −π

2

cos

sinStructure du modulateur

αR m

pTX(t) = A0 · cos(2π · Fp · t)

SIN

FM

φ MFonction Matlab

cumsumRemarques:• En mode φ M, α constitue l’indice de modulation; on se placera dans le cas d’indice faible tel que α .|SIN-MAX| = π/4 .•En mode FM la quantité α . |SIN-MAX | / 2.π représente l’excursion de fréquence instantanée maximale ∆F de la porteuse. Dans ce mode l’excursion est une donnée d’entrée du modulateur.•Afin de vérifier le fonctionnement du modulateur (et du démodulateur) il est conseilléd’appliquer en entrée un signal test simple dont les effets sont rapidement prévisibles, comme: S_in = [1 -1 0 1]; S_in = repmat(S_in,5000,1); S_in = S_in (:);

φ

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Modulation angulaire φM ou FMStructure du démodulateur

cos(2πFpt)

sin(2πFP t)

INRX

INRX−T−Q γ φ

INRX−T−I

−QI SOUT

d

dtFonctions atan

unwrap Fonction diff

Remarque:

En plus des vérifications de bon fonctionnement de la chaîne de transmission il est intéressant d’examiner les performances comparatives des modulations angulaires et d’amplitudes vis àvis des non-linéarités présentes dans le canal (écrêtage de l’amplificateur de sortie par exemple) et des variations d’amplitudes non informatives que subit la porteuse transmise.

FM

φ M

atan

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Partie 2 : Transmission d’une information numérique

Messagetexte

Musique

Image

Donnéesnumériques

enregistrées dans un fichier

Canal de transmission

Filtre passe-bas 3400Hz (butterworth

ordre 4)

Reconstruction de la source

Passage à un signal analogique

Transformation

Décimal - binaire

bruit

Décision pour chaque symboles

Regroupement par octets +

{0,1} +/- 2,5V

{0,1}

double int...

Fréquence d’échantillonnage

pour la simulation :

Fesim = 150kHz

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Etape 1 : Lecture de la source

Travail à faire :1. lecture de la source (image)

Fonctions Matlab disponibles :imread : lecture d’un fichier imageimshow : affichage d’une imagewavread : lecture d’un fichier audiosoundsc : écoute d’un signal audio>> texte = ‘joli texte’;...

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Etape 2 : Génération du train binaire (1/5)

Travail à faire :1. génération du train d’entiers binaires 0 ou 1 à partir du vecteur de

données.

D1D2D3...

octet 1| octet 2

| octet 3| ...

vecteur de donnéescolonne

train binaire

octet 1octet 2octet 3

octets 8 bits

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Etape 2 : Génération du train binaire (2/5)

Travail à faire :1. génération du train d’entiers binaires 0 ou 1 à partir du vecteur de

données.

D1D2D3...

Fonctions Matlab disponibles :z = x(:); mise en colonne de toutes les données de xreshape

vecteur de donnéescolonne

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Etape 2 : Génération du train binaire (3/5)

Travail à faire :1. génération du train d’entiers binaires 0 ou 1 à partir du vecteur de

données.

D1D2D3...

octet 1octet 2octet 3

octets 8 bitsvecteur de données

colonne

Fonctions Matlab disponibles :dec2din : transformation décimale vers binaire

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Etape 2 : Génération du train binaire (4/5)

Travail à faire :1. génération du train d’entiers binaires 0 ou 1 à partir du vecteur de

données.

octet 1

octet 2

octet 3

octet 1| octet 2

| octet 3| ...

octets 8 bits

train binaire

octet 1octet 2octet 3

octets 8 bits

Fonctions Matlab disponibles :x’ : transposition de la matrice xz = x(:); mise en colonne de toutes les données de xreshape

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Etape 2 : Génération du train binaire (5/5)

Travail à faire :1. génération du train d’entiers binaires 0 ou 1 à partir du vecteur de

données.

Fonctions Matlab disponibles :str2num : conversion d’une chaîne de caractères en valeurs numériques.

La fonction dec2bin renvoyant une chaîne de caractère, faites le nécessaire pour transformer le

train binaire en une suite de variables de type double.

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Etape 3 : Simulation du signal analogique (1/2)

Travail à faire :1. génération du train d’entiers binaires 0 ou 1 à partir du vecteur de

données.2. Choix de la période symbole Ts = N * Tesim (N=30 par exemple)

Passage à un signal analogique

+ 2,5V

- 2,5V

Période symbole

Ts = N * TesimPériode binaire Tb

1 0 1 0 1 0 1 0

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Etape 3 : Simulation du signal analogique (2/2)

Passage à un signal analogique

+ 2,5V

- 2,5V

Période symbole

Ts = N * TesimPériode binaire Tb

1 0 1 0 1 0 1 0

Fonction Matlab disponible :repmat

00101011...

00101011...00101011...00101011...00101011......

000...000...111...

-2,5-2,5-2,5...

-2,5-2,5-2,5...

2,52,52,5...

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Etape 4 : Transmission par le canal

Canal de transmission

Filtre passe-bas 3400Hz (butterworth

ordre 4)

bruit

+

Travail à faire :1. construction du canal2. tracé des signaux en entrée et en sortie de canal3. analyse des densités spectrales de puissance (DSP) tracées en Hz

Fonctions Matlab disponibles :plot, psdbutter, filterrandn ...

plot

psdplot

psd

Calcul et tracé de la DSP sous Matlab:>> [X F] = psd(x,Nfft,Fe);>> plot(F,X)

Nombre de points dans le domaine fréquentiel (1024 par exemple)

DSP et vecteur de fréquence associé

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Etape 4 : Transmission par le canal - DSP

Densité Spectrale de Puissance =

Répartition spectrale de la puissance

x(t)

DSP

Φ(F)

F

Puissance = surface

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Etape 5 : Effets du canal de transmission

Travail à faire :1. tracé du diagramme de l’œil en sortie du canal2. analyse des densités spectrales de puissance (DSP) tracées en Hz3. ajustement de la période symbole (Ts) ou de N pour optimiser la

transmission

Fonctions Matlab disponibles :plot, psdeyediagram...

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Etape 5 : Effets du canal de transmission – diagramme de l’œil

Canal de transmission

Transitions possibles :-2,5V → -2,5V-2,5V → +2,5V+2,5V → -2,5V+2,5V → +2,5V

Effets du canal :• retard• bruit additif• déformation du signal

diagramme de l’œil=

superposition des transitions

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Etape 6 : Récupération des données

Travail à faire :1. prendre une décision pour tous les symboles émis quant au signal

reçu2. reformer les octets successifs3. reconstruire le signal émis

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Etape 7 : analyse de la qualité de la transmission

Travail à faire :mesurer la qualité de la transmission en fonction :

1. du niveau de bruit dans le canal2. de la période symbole (Ts ou N)3. De la fréquence de coupure du filtre de canal4. De l’instant d’échantillonnage5. Du nombre d’états du code PAM dans une période symbole, à

bruit constant.