T2 TP5 : Étudier le bruit dans un signal, ainsi que le diagramme de l œil

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1 A- Introduction T2 TP5 : Étudier le bruit dans un signal, ainsi que le diagramme de l œil Les transmissions numériques ne peuvent être réalisées sans subir des perturbations de différentes natures, en particulier dans le cadre de transmissions sans fil. L objectif de ce TP est d observer les effets du bruit sur la forme des signaux numériques en utilisant la plaquette Emona 101. Pour caractériser les effets du bruit sur les signaux nous utiliserons deux notions essentielles qui sont le rapport signal sur bruit (RSB ou SNR pour Signal Noise Ratio) et le diagramme de l œil. B- Ajouter du bruit à un signal Afin de déterminer le rapport signal sur bruit, vous allez modéliser un signal auquel on ajoute un bruit. Préparez comme matériel : une plaquette Emona 101 et un oscilloscope. Localisez le module (Sequence Generator), puis réalisez le montage à partir du schéma de la Figure À partir du codage NRZ-L (switchs DIP à 00), retrouvez la séquence binaire transmise par le (Sequence Generator). 2- Vérifiez la forme du signal correspondant à chacun des codages (NRZ-L, Bi-Ø, RZ- AMI, NRZ-M). Donnez la position des switchs DIP pour les trois derniers. Rappels : Essayez de retrouver les raisons logiques de chaque codage sachant que la même séquence binaire est transmise. Figure 1 1/5

2 Important : Pour la suite du TP, observez et capturez la forme des signaux avant et après l addition du bruit. Ajustez sur l oscilloscope la base de temps à 1ms/div. Puis observez le signal en sortie du module Adder pour des puissances de bruit de -20 db, -6 db et 0 db. 3- Laquelle des sorties du Noise Generator fournit le plus grand bruit? Justifiez par rapport aux signaux observés. C- Limitation de la bande de bruit du signal Les mesures du rapport signal sur bruit (SNR) des systèmes de communications sont réalisées au niveau du récepteur et influe beaucoup sur les résultats. En effet, le bruit peut entrer à n importe quel niveau du système de communication. Le canal de communication est le point d entrée du bruit. Cela signifie que le bruit qui entre dans le système est toujours de bande limitée par la réponse du signal de la même façon que le signal lui-même. Afin de simuler le cas réel et mesurer le SNR dans ce TP, vous devez limiter la bande du signal et le bruit. Dans cette partie du TP nous allons analyser ce point. Ajustez la résolution verticale de l oscilloscope à 1V/Div, puis modifiez le montage à partir du schéma de la Figure 2 en ajoutant un filtre. Figure 2 4- Par rapport aux explications du premier paragraphe de la partie C, justifiez l ajout de ce filtre. 5- Observez le signal à la sortie de filtre Baseband LPF, pour des puissances de bruits de -20dB, -6dB, 0dB. Donnez une approximation du taux d erreur binaire pour ces trois, si l on souhaite reconstruire la séquence binaire après le filtre. D- Déterminez le rapport Signal sur Bruit (SNR) Le SNR peut être calculé de deux façons et est exprimé en décibels. Il peut être mesuré directement ou indirectement. La première méthode suppose qu il est possible de mesurer séparément la puissance du bruit et la puissance du signal (sans bruit). Cette première 2/5

3 méthode est direct, permet de calculer le SNR exactement, mais n est pas réalisable dans la majorité des cas réel (comment supprimer les perturbations électromagnétiques d autres appareillages dont-on n a pas le contrôle par exemple!). La seconde méthode (dite alternative ou alternate) ne cherche pas à supprimer la source du bruit. Elle mesure deux puissances, celle de bruit seul (Pb) et celle du signal + bruit (Psb). Le rapport Psb/Pb est une approximation de Ps/Pb qui est assez proche si la puissance du bruit n est pas trop grande par rapport à celle du signal. Les mesures de tension seront réalisées en RMS avec l oscilloscope. 6- Pour les positions -20dB, -6dB et 0dB du générateur de bruit replissez les 3 premières lignes du tableau A partir de vos connaissances et des explications du premier paragraphe de la session D, donnez les formules permettant de calculer les valeurs des 4 dernières lignes du tableau 1, puis finissez de remplir ce tableau. Mesures pour les deux SNR -20 db -10 db -0 db Signal voltage Noise voltage Signal plus noise voltage Signal-to-noise ratio (SNR) SNR (in decibels) Alternate SNR Alternate SNR (in decibels) Tableau 1 8- Comparez les deux SNR du tableau 1. Quelle conclusion pouvez-vous faire? E- Diagramme de l œil Les parties précédentes vous ont démontré qu un signal affecté par un bruit présente des distorsions. Ces dernières deviennent plus importantes avec l augmentation du bruit. Pour cela, il est nécessaire de tester le signal de données et essayer de minimiser le bruit. En général, le fait d observer un signal de données bruité avec un oscilloscope n est pas une solution idéale car vous n allez pas pouvoir voir la tension du signal que pour quelques bits. En plus, la nature aléatoire du bruit peut produire des niveaux erronés quand vous n êtes pas en train d observer l afficheur de l oscilloscope. Une solution à ce problème consiste à utiliser le signal de données numérique qui force l oscilloscope à développer un diagramme de l œil. Il est appelé ainsi car l oscilloscope affiche la forme ci-dessous (Figure 3). 3/5

4 Figure 3 Le diagramme de l œil est obtenu en regardant tout simplement le signal de données numérique en utilisant un des Channel de l oscilloscope et en déclenchant le signal de données numérique (bit-clock). Cela cause une instabilité dans l affichage, chose à éviter. Néanmoins, dans ce cas, toutes les combinaisons d ondes que le signal de données peut produire sont affichées l une sur l autre. (Elles sont affichées ainsi sur l écran en même temps, cela est réalisé avec la fonction de la persistance de l affichage CRT (Display > Persist). L espace entre la logique 1s et la logique 0s produit des yeux au centre de l affichage. Plus l œil est ouvert plus le bruit est grand. Dans cette partie du TP vous allez observer l effet du bruit sur un signal en utilisant le diagramme de l œil. Localisez le module VCO et tournez son contrôle de gain au maximum contre les aiguilles d une montre. Positionnez le contrôle Range du module VCO en position LO. Positionnez le contrôle Frequency Adjust du module VCO en position 9 (c'est-à-dire à mettre à 9h comme les aiguilles d une montre), puis modifier le montage comme il est présenté sur la Figure 4 (ajustez la base de temps de l oscilloscope à 0.2 ms/div. Figure 4 Note : L horloge du module Sequence Generator est fournit maintenant par le module VCO ainsi le taux de données peut varier. Cette horloge est utilisée pour produire un affichage non stable. 4/5

5 Note : Comme vous êtes en train de déclencher l oscilloscope du bit-clock du module Sequence Generator au lieu de son signal SYNC, le signal de données numérique est instable sur l écran et produit ainsi un diagramme de l œil. (Quand le réglage de la base de temps est correct). 9- Réalisez des captures du diagramme de l œil pour du bruit à -20dB, -6dB et 0dB. 10- Quelle est la relation entre le niveau du bruit introduit sur le canal de données et la forme des diagrammes de l œil. Revenez à -6dB pour la composante de bruit du signal numérique, puis réduisez la base de temps à 0.1ms/div. 11- Augmentez très lentement le signal de données bit-clock en augmentant la fréquence de sortie du module VCO jusqu à ce que vous aillez cinq yeux dans le diagramme de l œil). Réalisez une capture. Peut-on dire au regard de cette figure que des bits reçus seront erronés. 5/5