Comment aborder en pédagogie l aspect «système» d une chaîne télécom?

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1 Comment aborder en pédagogie l aspect «système» d une chaîne télécom? Introduction : Guillaume Ducournau, Christophe Gaquière, Thierry Flamen Plate-forme PolyCOM, Pôle EEI Ecole Polytechnique Universitaire de Lille, Polytech Lille Avec l avènement des communications sans-fil et des multiples techniques de modulation numériques, l ensemble d une chaîne de transmission télécom est devenu très complexe. De plus, avec l arrivée progressive et le déploiement des réseaux FTTH (Fiber To The Home, «la fibre à la maison»), l utilisation de l opto-électronique dans les communications locales va se développer. Nous proposons donc deux parties dans ce papier qui vont présenter des travaux pratiques réalisés à Polytech Lille au sein de la plate-forme PolyCOM, s adressant à des élèves ingénieurs. PolyCOM est une plate-forme d enseignement et de développement de projets autour de l aspect hardware de la transmission de signaux (Traitement de signal en BF, Communications numériques, hyperfréquences et Wireless, Photonique). Voici un aperçu des bancs de manips disponibles : Hyperfréquences Banc d'etude du VNA Banc Spectrum Banc CEM (Cellule GTEM, Antenne, Réseaux de découplages) Communications numériques Génération / Détection vectorielle (Agilent MXG / PSA Agilent / VSA 89600) ASK / PSK / QPSK / Et modulations Télécoms (Jussqu'à 3 GHz) Analyse de spectre jusqu'à 26,5 GHz Poly C M Fig. 1. Plate-forme PolyCOM Photonique Transmission sur fibres optiques Jusqu'à 10 Gbit/s (OC-192) Etudes des lasers Fabry-Pérot, DFB Battement optique, Amplifiication Erbium Analyse de diagramme de l'œil, BER Traitement de signal - BF Traitement de signal sur DSP Simulation, analyse FFT (Programme développé en interne) I. Chaîne de transmission Radio-fréquence : Dans une chaîne de transmission RF, on retrouve classiquement trois grands blocs :

2 - La partie bande de base, avant modulation, ou sont étudiés le traitement de signal, le numérique et les codages (canal, source), la correction d erreur, - Les «front-end» RF où l on va effectuer la transposition de fréquence, l amplification, l émission à proprement parler. Cette partie de la chaîne fait quant à elle intervenir l instrumentation RF (analyseurs de réseaux, analyseurs de spectres, ) - La partie propagation, c'est-à-dire le canal de transmission entre deux points : plus difficile à aborder en pédagogie, du fait de la taille des salles de manipulation! On utilisera si possible une émission/réception en étant en champ lointain pour les antennes, mais cela ne sera pas toujours possible. Nous proposons d étudier un petit «front-end» où l on réalise la transmission sans-fil d un signal vidéo : il s agit d un signal généré par un lecteur DVD. Nous utilisons la sortie vidéo du lecteur. Ce signal pilote un mélangeur 1 GHz. L oscillateur local est généré par un oscillateur (V.C.O. Voltage Controled Oscillator), et l antenne utilisée est un patch résonnant à 869,5 MHz. I.1. Synoptique de la manipulation : Lecteur DVD Signal vidéo MHz IF OL RF RF OL Entrée Vidéo TV VCO 1 VCO 2 Fig. 1. Chaîne de transmission RF étudiée (en petit à gauche : VCO, mixer émission) Le principe général de ce TP est que l étudiant va construire lui-même sa chaîne de transmission radio-fréquence pour effectuer la transmission d un signal vidéo. Il aura à sa disposition des composants hyper connectés en SMA : deux VCO identiques, deux mélangeurs, des amplis, deux antennes appariées montées sur deux petits mâts, des câbles SMA. Le premier test consiste à analyser le VCO utilisé, c'est-à-dire évaluer la plage de fréquence accessible par ce VCO à l aide d un analyseur de spectres électrique (Anristu 3 GHz). L étudiant trace alors la fréquence émise par le VCO en fonction de la tension d alimentation. Selon le paramètre S11 de l antenne patch, l étudiant doit choisir la bonne tension de commande pour son VCO. Il utilise alors le VNA pour aller mesurer son antenne et déduire la fréquence porteuse à utiliser.

3 Fig. 2. Mesure du S 11 de l antenne patch utilisée La sortie de ce VCO pompe le mélangeur 1 GHz, connectorisé avec des connecteurs SMA. Ensuite, un amplificateur est utilisé juste avant l antenne d émission. Côté détection, l antenne reçoit le signal et celui-ci est amplifié par des amplis montés en boîtier, en connexion SMA. I.2. Vue du banc complet : Lecteur DVD TV en réception Patch Tx Scope 100 MHz Patch Rx Etages RF (mixers, VCO, ) Fig. 3. Test en sinus I.3. Test avec 2 VCO : En premier lieu, on injecte en entrée IF du mélangeur utilisé à l émission un sinus produit par un GBF. On essaie de détecter le signal en utilisant pour les deux oscillateurs locaux (OL) deux vco

4 indépendants. L étudiant constate alors que ce n est pas possible car les VCO ne sont pas verrouillés sur une même référence de phase. Cela permet d aborder la notion de «récupération de porteuse», importante en transmission. A défaut d un circuit pour récupérer la porteuse à l heure actuelle, on prend ensuite le même VCO dont on divise en deux le signal. I.4. Test avec 1 VCO et transmission sinus : On réalise le test en sinus avec la chaîne complète. Au départ l étudiant ne met pas d amplificateur et ne détecte rien. Il lui est alors fourni un ampli RF qu il doit lui-même choisir de placer dans la chaîne, c'est-à-dire dans la partie RF. Il réalise alors un test de transfert de signal sinus, jusqu à 10 MHz pour valider la bande passante disponible sur sa chaîne de communication. I.5. Test en mode vidéo : Fig. 4. Test en sinus Enfin, l étudiant tente un essai en transmission vidéo. Il constate que selon le réglage du VCO, il perd ou non le signal. De plus les antennes patch sont polarisées et il est possible d éteindre le signal (perte totale de transmission) en tournant à 90 l antenne de réception, permettant d observer «avec les mains» l aspect polarisation. Un absorbant ou un obstacle est lui-aussi placé dans le champ de transmission permettant d atténuer le signal et donc de perdre le signal. II. Chaîne de transmission photonique : II.1. Présentation : Cette partie a été développée en collaboration avec FC-Equipements à Lannion (22). Il s agit dans cette partie des TP d utiliser des composants et procédés de base relatifs à la transmission sur fibre optique : - Etude des lasers (Fabry-Pérot, DFB) - Etude d un Ampli à fibre dopée Erbium - Etude d un modulateur Mach-Zehnder (MZM)

5 Dans ce TP, l étudiant sera amené à construire une chaîne de transmission à fibre optique. Il va d abord caractériser sa source laser (tracé de la courbe P(i)), afin de déterminer le courant de seuil de la diode. Ensuite, il utilisera un modulateur Mach-Zehnder pour imprimer son signal de données sur l optique. Il envoie cela dans une fibre de 57 km et enfin il détectera cela à l OSA et en parallèle sur un oscilloscope à échantillonnage (Tracé du diagramme de l œil). II.2. Banc d étude : ASO, DCA L ensemble du banc d étude est conditionné dans une baie 19 pour plus de facilité d utilisation. Il est principalement composé de : F.O. 57 km - Analyseur de spectres optiques - Drivers lasers + 4 lasers DFB télécoms. - Un modulateur optique d intensité. - Un chassis DCA agilent et une carte 10 Gbit/s - 57 km de fibre optique monomode, des coupleurs. - Synthé hyper 1 GHz II.3. Etude du Mach-Zehnder : Fig. 4. Banc système photonique On commence par utiliser le modulateur optique MZM. Pour cela, l étudiant commande avec une tension continue le modulateur pour mesurer l extinction de signal, trace la courbe Puissance transmise = f(tension appliquée). L aspect linéarité au niveau du MZM est important pour aborder l aspect «low signal», utilisé en radio sur fibre (RoF) et l aspect OOK en communications numériques. II.4. Fibre et transmission OOK : Après avoir étudié l aspect modulation de signal, on utilise un laser DFB pour mesurer l atténuation de la fibre optique sur le tronçon de 57 km. Enfin, un générateur de signaux est utilisé pour moduler le signal optique plus haut en fréquence et l on se sert de l oscilloscope avec carte optique pour mesurer le diagramme de l œil produit. L étudiant mesure sur l œil optique le facteur Q et en déduit le taux d erreur (BER).

6 Q = (µ 1 µ 0 ) /( σ 1 σ 0 ), où µ 1 µ 0 sont les niveaux des états binaire, et µ 1 µ 0 les étalements de bruit de ces niveaux. L étudiant est donc ici amené à utiliser l oscilloscope à échantillonnage, donc la synchronisation, l aspect réglages, mesures (niveaux, ouverture de l œil, extinction ratio, ) II.5. Amplification optique Erbium : Fig. 5. Mesure de diagramme de l oeil A la fin de la fibre de 57 km, un amplificateur optique est utilisé par redresser le niveau du signal. Cela perte d illustrer l aspect émission spontanée (gain de l Erbium) et l émission stimulée avec le signal optique incident. II.6. Opto-hyperfréquence (Radio over Fiber RoF) : Dans cette série de travaux pratiques, les étudiants réalisent aussi de l émission réception de signaux en QPSK, FSK, ASK. Ces signaux peuvent être, avant de transiter par l espace libre, relayés par la fibre optique monomode SMF 28. L idée sera alors de réaliser un TP d opto-hyperfréquence, ou l étudiant transmettra son signal hyperfréquence modulé numériquement en passant par une fibre optique monomode pour déporter le signal avant de le rayonner en espace libre. Conclusion : Nous présentons dans ce papier les moyens disponibles à polytech Lille présentant une approche «système» au niveau de la pédagogie et l étude des systèmes télécoms. Nous présenterons la réalisation d une chaine de transmission RF à base de composants localisés (mélangeurs, oscillateurs, antennes patch) réalisée dans le cadre de TP de niveau ingénieur. Nous présentons également un banc de TP photonique mis en place avec FC-Equipements Lannion concernant les transmissions photoniques sur fibre : étude du modulateur Mach-Zehnder, tracé d un œil, amplification EDFA, Enfin, nous illustrons le couplage entre l opto et les hyper fréquences à l aide d un TP de radio sur fibre (Radio over Fiber). Pour tout renseignement, utilisation de la plate-forme, projets pédagogiques, ou tout simplement partager vos expériences, n hésitez pas à contacter : G. Ducournau Plate forme PolyCOM, Département IC2M (Ingénierie et Com. des Syst. de Mesure) Polytech Lille. Avenue Paul Langevin, Villeneuve d Ascq Cédex. guillaume.

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