Modulations Numériques Pour les Radioamateurs

1. Modulations Numériques Pour les Radioamateurs

2. SOMMAIRE • Historique • Théorie • MDA MFM QAM OFDM • Correction d'erreur • Distorsion du canal de propagation • PAUSE • Modes numériques radio amateur • CW RTTY • PSK MSK ROS • JT65 WSPR OPERA • Emetteur Récepteur • Concours • Club • Annexes

3. Historique • L'homme utilise des communications numériques avec codage depuis longtemps • Le TAM TAM, les cornes • Signaux de fumée, les feux • Télégraphe chape • 1838 Samuel morse invente le code morse (c'est un varicode) • 1874 première ébauche du code BAUDOT • 1894 Liaison radio électrique en OOK ( Albert TURPAIN) • 1930 Liaison RTTY • 1970 Liaison en mode PSK et QPSK pour les faisceaux hertziens

4. THEORIE DES MODULATIONS NUMERIQUES

5. THEORIE • Une modulation numérique possède des états de valeur entière par rapport à la modulation analogique qui elle possède une infinité de valeur. • L'avantage principal pour une modulation numérique c'est la tenue au bruit

6. THEORIE définitions • Qualité du signal Taux d'Erreur Bit (BER ) • Représente le pourcentage de bit faux C/N c'est le rapport signal sur bruit la bande de bruit utilisé par les radioamateurs est de 2500 Hz par convention Eb= Energie par bit après démodulation et Correction d'erreur N0= Bruit de densité spectrale dans la bande optimum Fb = débit binaire Es= Energie symbole M=nombre d'état par symbole Pour comparer les différentes formes d'onde on utilise par convention le TEB en fonction de rapport Eb/N0

7. MODULATION • Le signal modulé s'écrit sous la forme générale A est l'amplitude du signal ( modulation d'amplitude) ω0 est la fréquence (modulation de fréquence) t le temps (position dans le temps) φla phase (modulation de phase) L'ensemble de ces paramètres peuvent être utilisés pour réaliser la modulation Ils peuvent être combinés

8. MODULATEUR • Le modulateur permettant de réaliser l'ensemble de ces modulations Ce sont deux porteuses en quadrature que l'on module

9. MODULATEUR • Représentation graphique d'une constellation L'axe Re est le modulateur a 0° L'axe Im est le modulateur déphasé de 90°

10. MODULATION MDA ( On Off shit Keying) • La modulation Modulation par Déplacement d'Amplitude La modulation Modulation par Déplacement d'Amplitude La CW est une modulation MDA Un seul modulateur est suffisant pour ce type de modulation C'est la plus simple des modulations

11. MODULATION MDA • L'on peut réaliser une modulation à plusieurs états • Plus le nombre d'états est élevés plus l'encombrement spectral sera réduit pour le même débit • La sensibilité diminue avec le nombre d'états

12. MODULATION MDA ( On Off shit Keying) • Constellation La modulation MDA2 est assimilable a une modulation de phase à 180° La CW utilise une modulation MDA asymétrique puisque un 1 correspond à une porteuse et 0 absence de porteuse

13. MODULATION MDA ( On Off shit Keying) • Rapport signal sur bruit • Exemple une MDA 2 symétrique à 20 mots minutes (code morse) correspond à un débit de 20 bauds. et prenant comme référence une probabilité d'erreur de 1 erreur pour 1000 bit C/N =7 + 10 LOG(20/2500) C/N = -13.9 dB (limite théorique).Dans d'une MDA2 asymétrique C/N= -10,9dB • L'encombrement spectral est au minimum de 20Hz avec des fronts de monté et descente optimum • Les fronts de monté et descente sont rarement optimisé (exemple CW) • L'utilisation de 4 états voir plus ne présente pas d'intérêt sauf si ils sont utilisés avec d'autres modulation

14. MODULATION MDP ( Phase Shit Keying) • Modulation par Déplacement de Phase • On appelle "MDP-M" une modulation par déplacement de phase (MDP) correspondant à des symboles M-aires.

15. MODULATION MDP ( Phase Shit Keying) • Constellation constellations de MDP pour M= 2, 4 et 8.

16. MODULATION MDP ( Phase Shit Keying) • Probabilité d'erreur

17. MODULATION MDP ( Phase Shit Keying) • Meilleur efficacité que la MDA asymétrique • Le C/N pour une modulation 2 étatsLe seul moyen pour détecter ces signaux est un logiciel de décodage. Pour le MDP2 à 20 bauds le C/N limite en prenant comme hypothèse une probabilité d'erreur de 1 10-3. C/N= 7 - 10 LOG (20/2500) = -13.9 dB (identique MDA2) • Cette forme d'onde à quelques inconvénients • Sensible au bruit de phase. • Le signal n'est pas à enveloppe constante ( Modulation d'amplitude ) d’où linéarité de chaine • Les avantages • Encombrement spectrale très réduit avec M élevé • Assez bonne sensibilité

18. MDF (Modulation par Déplacement de Fréquence) • Les Modulations par Déplacement de fréquence (MDF) sont aussi souvent appelées par leur abréviation anglaise : FSK pour "Frequency Shift Keying". • Deux cas : • Modulation à phase discontinue ( cas du RTTY) • Elle est simple de réalisation. • Son principal défaut est la grande bande passante dont elle a besoin pour pouvoir transmettre les sauts de phase. • Modulation à phase continue • Elle est plus complexe à réaliser. • Elle requiert une bande passante plus étroite. • Un cas particulier de la MDF à phase continue est la modulation GMSK (Gaussian Minimun Shift Keying)

19. MDF (Modulation par Déplacement de Fréquence) • Codage des fréquences pour 8 fréquences soit MDF3 3 états Pour 8 fréquences il y aura 3 bits

20. MDF(Modulation par Déplacement de Fréquence) • La modulation MDF peut prendre plusieurs états • La probabilité d'erreur diminue avec le nombre d'états

21. MDF(Modulation par Déplacement de Fréquence) • Exemple de C/N • Débit binaire 6bits/seconde • Nombre de fréquence 64 ( 6 bits par symbole) • Débit Symbole 3,3 bauds (20 bits/s) • Probabilité d'erreur 1 10-3 sans CCE • C/N=3,5 + 10 log (20/2500 ) = -17,4dB • C'est la forme d'onde la plus performante pour la sensibilité • Beaucoup de mode radio amateurs utilise cette forme d'onde • L'inconvénient de cette forme d'onde est l'encombrement spectrale chaque fréquence doit être distante de 1 fois le débit dans le cas ci dessus largeur de spectre =220 Hz • En MDP 2 largeur de 20 Hz

22. MODULATION MDAP (MAQ) • Ce type de modulation est utilisé pour la DRM cela pour avoir un haut débit. • MAQ seul présente des inconvénients n'est pas utilisé dans le domaine radioamateur et l'on passe directement à l'OFDM • Pour MAQ64 le débit est multiplié par 6 pour le même encombrement spectral par rapport a une MDP 2 • Sensible au bruit de phase et d'amplitude • C/N dégradé par rapport a une modulation MDP 2

23. MODULATION MDAP (MAQ) • Calcul d'un C/N pour une modulation MAQ16 et un débit de 20 bits (5 bauds) pour une probabilité d'erreur de 1 10-3 • Il y a 4 bits par symbole en MAQ16 l'encombrement spectrale sera de 5 Hz (valeur min) • C/N = 10,5 * 10 LOG (20/2500)=-10,4 dB • La modulation n'est pas une enveloppe constante • La chaîne radio doit être très linéaire • Rapport puissance crête puissance moyenne 3 dB • La phase dans la bande de modulation la plus constante possible ( temps de groupe) • Avantage principal encombrement spectral • Forme d'onde non utilisé dans le domaine amateur

24. OFDM • Orthogonal Frequency-Division Multiplexing • C'est un procédé de codage de signaux numériques par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses. • Cette technique est le meilleur moyen actuellement pour lutter contre les canaux sélectifs en fréquence pour les hauts d • Les principales applications utilisant ce principe • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) • TNT (Télévision numérique terrestre) • DAB (Digital Audio Broadcasting) • DRM (Digital Radio Mondiale) • DRM ( radio amateur transmission d'image)

25. OFDM • C'est une modulation à multi-porteuse • Consiste à répartir les symboles sur un grand nombre de porteuses à bas débit • Cela équivaux à diminuer le débit symbole par porteuse • Moins sensible aux variations de phase et d'amplitude • Doit être associé avec de l'entrelacement et code correcteur d'erreur

26. OFDM • Propriétés • Débit très élevé avec un minimum de dégradation dans un canal de propagation très perturbant • Bande occupé faible pour le débit • Modulation de base MAQ 4 MAQ 16 MAQ 64 • Nombre de porteuse pouvant dépasser 1000 • Linéarité de chaine radio indispensable • Puissance crête 5 fois la puissance moyenne dépend du nombre de porteuse • Les applications ADSL DVB-T ( la TNT) WiFi utilisent ce principe • Pour les radio amateur le mode DRM dans 2500 Hz de bande

27. FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum • Etalement de spectre par saut de fréquence • Contrairement a la modulation MDF chaque fréquence est démodulé indépendamment mais pas en même temps • Chaque porteuse peut être modulé en MDA, MDF, MAQ • Le principal inconvénient est l'encombrement spectrale • Pour 128 porteuses avec un débit de 1 baud (128 Hz minimum) • C'est un fonctionnement avec diversité de fréquence • Très efficace en cas d'évanouissement sélectif • Entrelacement et code correcteur d'erreur sont toujours utilisés

28. FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) • Le saut de fréquence est généré a partir d'un séquence pseudo aléatoire connue de la station d'émission et de la station de réception. • Procédure de synchronisation pour commencer • Porteuse spécifique avec mode réduit • La sensibilité de la synchronisation est meilleur que les données • Transmission par paquet • Particularité : Plusieurs liaisons peuvent avoir lieu sur la même bande de fréquence soit : • Séquence pseudo aléatoire différente • Heure de démarrage de la séquence différente

29. Autres Formes d'onde • DSSS • Cette forme n'est pas utilisé dans le monde radio amateur • Ne présente pas d'avantage complémentaire par rapport a FHSS pour nos applications • UWB ( Ulta Wide Band) • Largeur de bande trop importante • Attention risque d'être appliqué en domotique perturbation possible pour ceux qui pratiquent les hyper 2 à 20 GHz mais porté limitée

30. Démodulation Cohérente et enveloppe • La démodulation cohérente synchronisation avec la porteuse émission • La démodulation d'enveloppe utilisation du signal reçu pour démoduler Signal/ bruit avant détection Démodulation cohérente Démodulation d'enveloppe 10 dB Signal/ bruit après détection

31. Distorsion inter symbole • Le canal de propagation génère plusieurs rayons 30 mS SP 10000 km 100 ms LP 30000 km C/I 100 B/s BIT 1 BIT 2 Bit émission Rayon 2 Rayon 1 Rayon 3 • Les filtrages provoquent de la la distorsion de phase ( filtre a quartz filtre BF bande étroite) se mesure par le temps groupe

32. STRUCTURE D'UNE TRAME • La trame est décomposé en champ Synchronisation Fin de message Données Nota : La synchronisation peut être répartie tous le long de la trame Code correcteur d'erreur Entête • Exemple bus série port com • Start (synchronisation et entête), les données , la parité pour la détection d'erreur et 1 ou 2 bits et un stop pour la fin de message

33. Code Correcteur d'Erreur (FEC) • Différentes procédure permettent de corriger les erreurs • Répétition du message • Redondance dans le message • Insertion d'un code dans le message • Code convolutif ( Viterbi) • Code par bloc • Code cyclique • Turbo code CCE Données brut

34. Code Correcteur D'Erreur (FEC)

35. Canal de propagation • Le canal de propagation c'est la partie de rayonnement électromagnétique entre 2 antennes • Le canal de propagation fluctue dans le temps avec différentes influences • Le fading plat l'ensemble des fréquences du canal radio subissent la même atténuation • Le fading sélectif des fréquences sont atténuées et d'autres pas et cela en fonction du temps • Il y a plusieurs rayons de liaison entre deux stations dont certains arrivent en opposition de phase d’où annulation du signal

36. Canal de propagation Diminution du signal

37. Canal de propagation • Certaines forme d'onde intègrent un processus permettant de limiter les perturbations provenant de la propagation • Diversité de fréquence ( Modulation MDF, OFDM) • Diversité d'espace ( Pas utilisé au niveau amateur pour le moment ) • 2 antennes distantes de lambda/2 minimum • Diversité de polarisation H et E • 2 chaînes de réception • Redondance ( répétition des données) • Code correcteur d'erreur • Entrelacement des données. A utiliser avec un code correcteur d'erreur. Permet d'avoir des erreurs isolées lorsqu'il y a un paquet d'erreur • Débit bauds < 10 bauds (stationnarité du canal) sauf si un rayon long path et rayon short path ( retard de 150 ms)

38. MODULATIONS NUMERIQUES DANS LE MONDE RADIO AMATEUR

39. CW (Carrier Wave) • Ce mode de transmission utilise le mode MDA en utilisant le code morse, permettant de transmettre un texte à l'aide de séries d'impulsions courtes et longues • Code inventé en 1838 pour la télégraphie par samuel Morse C'est le premier mode utilisé par les radioamateurs C'est un varicode les caractères non pas toujours la même longueur Il n'y a pas de synchronisation, c'est l'espace entre chaque caractère qui permet la synchronisation

40. CW • La vitesse moyenne utilisé par la radioamateurs est de 20 mots par minutes ce qui donne un débit binaire de 20 bits par seconde. Le point étant le bit de référence • En théorie le C/N minimum est de -10,9 dB ( détection par bit) • Certain opérateur arrive à décoder jusqu'à -15 dB voir moins • L'oreille humaine est capable de filtrer le signal de façon adaptative ainsi que de faire des corrections d'erreurs • C'est une détection musicale et non binaire • En mathématique on parle de corrélation (non utilisé par les logiciels actuellement pour la CW)

41. CW ( Logiciel) • Il existe beaucoup de logiciels permettant de décoder la CW mais avec des fortunes diverses • Ils utilisent pour la plupart une détection d'enveloppe démodulation non cohérente • Le filtrage n'est pas toujours adaptatif • Le seuil de décision pas toujours optimisé • Détection de vitesse pas simple • Pour les meilleurs le seuil de C/N est de -7dB ( 20 wpm) • Les logiciels conseillés • Multipsk (payant pour la meilleure sensibilité) • CwSkimmer (payant) pour les concours pour la recherche de multiplicateurs avec un récepteur SDR c'est le TOP jusqu'à 50 kHz de bande • GetCW (shareware)

42. CW Skimmer et site Reserve Beacon

43. CCW (Cohérente Carrier Wave) • La CW cohérente est un mode fait pour que les ordinateurs puissent la détecter facilement. • Détectable par un humain • La durée des points et des traits est calibrée avec 3 vitesses 12,24 et 48 mots par minute • Modulation en tout ou rien (OOK , MDA ) • Démodulation cohérente • Synchronisation sur le signal et l'espace entre caractères • Code MORSE • C/N = -8dB ( 24 mots par minute) limite théorique -10,2 dB • Fréquences (1844, 3561, 7031, 10107,14061, 21061, 24907, 28061 MHz)

44. QRSS • C'est un mode CW très lent, la longueur du point varie de 1 seconde à 60 secondes • Ce mode est utilisé principalement sur les bandes basses 137 kHz et 500 kHz également utilisé sur la bande 10,140 MHz • C'est un mode visuel ( Multipsk peut le décoder )

45. FSKCW • Mode CW par déplacement de fréquence • Permet d'avoir une porteuse en permanence • Utilise le code MORSE • Les espaces entre les traits, les points et entre caractères sont remplacés par un déplacement de fréquence • Même SNR que le mode QRSS • Exemple : WA5DJJ

46. DFCW • C'est un mode CW par déplacement de fréquence et utilisation d'un codage • La durée est remplacée par la fréquence point et trait et elles ont la même durée mais de fréquence différente. • Pour une bonne lisibilité il y a un temps mort d'une durée de 1/3 du temps élémentaire • Entre chaque caractère une durée de 1,3 temps élémentaire CQ ON7YD K en QRSS et DFCW La durée de transmission est réduite de 60% pour la même vitesse

47. Réception bande 30 m QRSS avec Spectrum LAB

48. RTTY (Radio-TéléTYpe) • Le RTTY est un mode MDF (FSK) à 2 états avec deux appellations FSK ou AFSK ( Audio Frequency Shift Keying) • La vitesse est de 45.45 Bauds avec un espacement de 170 Hz • Le Code utilisé est le Code BAUDOT à 5 moments avec séries ( chiffre et lettre) • La synchronisation est réalisée avec un bit de start (mark) et 1.5 Bit de stop (space) • Démodulation non cohérente • Encombrement spectral de 600 Hz (Front de monté ) • C/N = -5 dB • 250 caractères par minute

49. OLIVIA • Le mode olivia est un mode créé par SP9VRC 2005 • Mode FSK à 32 fréquences ( mode MDF 32) • Débit de 31.25 bauds • Transmission par bloc de 64 symboles de 5 bits • Correction des erreurs par redondance • Code caractère ASCII 7bits • Bande passante 1000 Hz • Synchronisation sur le bloc • Pas de code correcteur d'erreur et pas de code convolutif • Entrelacement des données • Vitesse et sensibilité • 8-250 72 caractères minute C/N=-14 dB • 31-1000 120 caractère minute C/N= -12 dB

50. OLIVIA • Fréquences préconisées • 1808,75 1838,5 kHz • 3583035 3582,5 KHz • 7042.5 kHz 7043,25 kHz • 10142,5 1043,25 kHz • 14105,5 106,5 14107,5 14108,5 kHz • 18102,5 18103,5 kHz • 21129,5 kHz • 24921,5 kHz • 28076 kHz • Mode assez sensible • Encombrement spectral important • Pas de concours dans ce mode • Logiciels MultiPSKMixWFLDIJIDM780 ...