Télécommunications et Infrastructure
Liaisons hertziennes spatiales optiques
Cet ouvrage s'inscrit dans le cadre des publications du Collège Scientifique et Technique de THALES. Il capitalise la longue expérience du Groupe, notamment à l'export, dans le domaine de l'ingénierie des Systèmes de Télécommunications.À l'heure où l'informatique conquiert une place prépondérante dans les Réseaux de Télécommunications, en générant une multitude de services [...]
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Auteur : Gérard BARUÉ
Editeur : Ellipses
Date parution : 02/2003Alerte dispo
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Quel est le sujet du livre "Télécommunications et Infrastructure"
Cet ouvrage s'inscrit dans le cadre des publications du Collège Scientifique et Technique de THALES. Il capitalise la longue expérience du Groupe, notamment à l'export, dans le domaine de l'ingénierie des Systèmes de Télécommunications.À l'heure où l'informatique conquiert une place prépondérante dans les Réseaux de Télécommunications, en générant une multitude de services pour les abonnés, il s'avère toujours indispensable d'optimiser les moyens d'infrastructure à mettre en oeuvre afin d'assurer la transmission des messages dans les meilleures conditions possibles, en termes de qualité, de disponibilité et de coût.Ce livre a pour objectif de constituer un guide pour la recherche des solutions les plus adaptées dans la conception de ces moyens.
Auteurs :Gérard BARUÉ est diplômé de l'École Supérieure d'Ingénieurs en Electrotechnique et Electronique de Paris (ESIEE). Après avoir participé, pendant près de 25 ans, à la réalisation d'une dizaine de grands projets en Amérique latine, en Afrique et au Moyen-Orient et déposé plusieurs brevets, il assume actuellement la responsabilité de l'ingénierie des liaisons hertziennes et optiques au sein de THALES Communications.
En suivant ce lien, retrouvez tous les livres dans la spécialité Télécommunications.Sommaire et contenu du livre "Télécommunications et Infrastructure - Liaisons hertziennes spatiales optiques"
I-LA PROPAGATION DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES1.1
-Propriétés d'une onde électromagnétique plane 1
1.1.1
Equation d'onde ou de propagation 1
1.1.2
Vitesse de propagation 3
1.1.3
Densité surfacique de puissance ou puissancesurfacique 3
1.1.4
Champ créé en espace libre par une antenne isotrope .4
1.2
Ouverture rayonnante 5
1.2.1
Expression du gain 5
1.2.2
Diagramme de rayonnement 7
1.2.3
Champ proche et champ lointain d'une ouverture rayonnante 10
1.2.4
Aire effective 12
1.2.5
Effet pelliculaire 12
1.3
Caractéristiques générales des antennes 13
1.3.1
Expression du gain et de l'angle d'ouverture 13
1.3.2
Gabarits de rayonnement 14
1.4
Affaiblissement de propagation et champ électromagnétique reçu 17
1.4.1
Affaiblissement de propagation 17
1.4.2
Champ électromagnétique reçu 18
1.5
Réflecteur et répéteur passif.. 19
1.5.1
Réflecteur en champ lointain 19
1.5.2
Répéteur passifen champ lointain 23
1.5.3
Réflecteur en champ proche (Périscope) 25
1.6
Modèle de propagation 27
1.6.1
Diffraction sphérique 27
1.6.2
Ellipsoïde de FRESNEL 27
1.7
Réflexion et réfraction 28
1.7.1
Lois générales de la réflexion et de la réfraction 28
1.7.2
Facteur de divergence 34
1.7.3
Facteur de rugosité 35
1.7.4
Facteur de limitation de la zone de réflexion 36
1.8
Influence de l'atmosphère 36
1.8.1
Coïndice de réfraction 36
1.8.2
Gradient vertical de l'indice de réfraction 37
1.8.3
Courbure des rayons radioélectriques 52
1.8.4
Rayon terrestre équivalent 52
1.8.5
Variation des angles de départ et d'arrivée des rayons 56
1.8.6
Valeur minimale positive du facteur K 57
1.8.7
Les conduits troposphériques .59
1.8.7.1
Conditions d'apparition des conduits troposphériques 59
1.8.7.2
Trajectoire des rayons dans un conduit troposphérique 61
1.9
Propagation par diffraction 62
1.9.1
Diffraction sur Terre sphérique 63
1.9.2
Diffraction sur une arête en lame de couteau 67
1.9.3
Diffraction sur un obstacle unique de sommet arrondi 68
1.9.4
Diffraction sur deux arêtes isolées 69
1.9.5
Cas général 71
1.10
Effets des réflexions sur la propagation 72
1.10.1
Réflexion sur le sol 72
1.10.1
.1 Incidence sur le champ électromagnétique reçu 74
1.10.1.2
Retard différentiel 75
1.10.1
.3 Franges d'interférence 75
I.l0.1.4
Influence des variations de l'indice de réfraction de l'atmosphère 75
1.10.1.5
Intégration des franges d'interférence par l'antenne 79
1.10.2
Réflexions multiples 79
1.10.3
Onde stationnaire 81
1.11
Affaiblissement par les gaz de l'atmosphère 83
1.11.1
Liaisons terrestres 83
1.11.2
Liaisons Terre-espace 85
1.12
Atténuation et transpolarisation par les hydrométéores 87
1.12.1
Atténuation par la pluie 87
1.
12.1.1 Trajet terrestre 89
1.12.1
.2 Trajet Terre-espace 91
1.
12.1.3 Diversité d'emplacement 92
1.12.1.4
Affaiblissement dû aux gaz, aux nuages et au brouillard 97
1.12.2
Transpolarisation par les hydrométéores 98
1.12.2.1
Polarisation d'une onde électromagnétique 98
1.12.2.2
Transpolarisation 99
1.13
Influence de l'ionosphère 102
1.13.1
Scintillation 102
1.13.2
Rotation de FARADA Y 103
1.13.3
Retard de propagation 104
1.14
Rayonnement thermique 105
1.14.1
Origine du rayonnement thermique 105
1.14.2
Propagation du rayonnement thermique 105
1.14.3
Corps noir 106
1.14.4
Corps gris 108
1.15
Bruit thermique 109
1.15.1
Origine du bruit thermique 109
1.15.2
Tension de bruit thermique 109
1.15.3
Analogie entre rayonnement thermique et bruit thermique 110
I.!5.4
Température apparente de bruit 112
1.15.5
Facteur de bruit 112
1.15.6
Température équivalente de bruit 114
1.15.7
Bruit rayonné 116
1.15.8
Sources de bruit externes 116
l.15.8.1
Principales sources de bruit naturelles et artificielles 118
1.1
5.8.2 Emission radioélectrique due aux gaz de l'atmosphère 119
1.1
5.8.3 Emission radioélectrique due aux hydrométéores 120
l.15.8.4
Bruit externe total 120
1.16
Lois de probabilité 121
1.16.1
Généralités : 121
I.!6.2
Loi de distribution de GAUSS 121
I.!6.3
Loi de distribution de RA YLEIGH 123
II-LES LIAISONS EN VISIBILITE
II.!
Eléments d'ingénierie d'une liaison à vue directe 125
11.1
.1 Généralités 125
11.1
.2 Etablissement du profil de la liaison 125
11.1
.2.1 Détermination des azimuts et de la distance 125
1l.1
.2.2 Données nécessaires pour J'établissement du profil 126
11.2
Architecture d'une liaison à vue directe (méthode interférométrique) 127
11.2.1
Tracé du profil 127
11.2.2
Critères de dégagement 128
11.2.3
Détermination de la ligne de régression et de la rugosité du terrain 128
II.2.4
Détermination des zones de réflexion 129
11.2.5
Retard différentiel 129
Il .2.6 Atténuation différentielle 129
11.2.7
Réception en diversité d'espace et/ou de fréquence 130
11.2.8
Exemple de liaison 131
11.2.9
Résultats de mesure en conditions de guidage 141
11.2.10Diversité
angulaire 147
II.2.11
Pointage des antennes 148
1l.2.11.1
Centrage de la source d'illumination 148
1l.2.11.2
Prépointage en azimut 148
11.2.11.3
Pointage final de l'antenne 149
Il.2.11.3.1
Pré-positionnement en site 149
11.2.11.3.2
Pointage final en azimut 150
11.2.11.3.3
Pointage final en site 151
11.2.11.3.4
Vérification du plan de polarisation 151
11.2.11.4
Tenue aux conditions climatiques 151
II.3
Bilan de liaison 152
II.3.1
Généralités 152
11.3.2
Objectifs de performance 152
Il .3.3 Bilan de transmission 155
11.3.3.1
Puissance médiane reçue et marge uniforme 155
11.3.3.2
Puissance de seuil du récepteur. 156
lIA Méthode de prévision 157
1104.1
Facteur géoclimatique 157
1104.2
Inclinaison du trajet.. l58
1104.3
Pourcentage de temps d'évanouissement 159
110404 Méthode pour tous les pourcentages de temps d'évanouissement 159
1104.5
Prévision des interruptions dues aux évanouissements sélectifs
et non sélectifs 160
II04.6
Méthode de prédiction des renforcements de champ 161
11.4.7
Passage du mois quelconque à l'année moyenne 163
11.4.8
Prévision des interruptions dans les systèmes numériques sans diversité .163
11.4.8.1
Signature du récepteur 164
1104.8.2
Probabilité d'interruption 166
11.4.9
Prévision des interruptions dans les systèmes numériques avec diversité .167
11.4.9.1
Prévision des interruptions en cas d'utilisation de la diversité d'espace ...... 167
11.4.9.2
Prévision des interruptions en cas d'utilisation de la diversité de
fréquence 169
11.4.9.3
Prévision des interruptions en diversité double d'espace et de fréquence
(système à deux récepteurs) 169
11.4.904
Prévision des interruptions en diversité quadruple d'espace et de
fréquence (système à quatre récepteurs) 170
11.4.9.5
Prévision des interruptions en cas d'utilisation de la diversité angulaire 170
1104.]
0 Prévision de la probabilité totale d'interruption 171
1104.10.
Prévision de la probabilité d'interruption due aux évanouissements par
temps clair 172
1104.10.2
Prévision de la probabilité d'interruption due à la pluie 172
1104.10.3
Prévision de la probabilité d'interruption due à la réduction du
découplage de polarisation croisée 172
1104.10.3.1
Réduction du découplage de polarisation croisée par temps clair 172
lIA. J0.3.2
Réductiondu découplagedepolarisationcroiséedueauxprécipitations
173
1104.]
1 Effet dû à un perturbateur 174
1104.11.1
Dégradation du seuil du récepteur par un perturbateur 175
1104.11.2
Mesure du niveau du perturbateur et du seuil dégradé 177
1104.12
Effet dû à un obstacle 178
1104.]
3 Exemple de bilan de liaison 179
1104.14
Evolution de la méthode de prévision 183
III -LES LIAISONS TRANSHORIZON
111.1
Eléments d'ingénierie d'une liaison transhorizon 185
111.1.1
Généralités 185
III.1.2
Etablissement du profil d'une liaison transhorizon 186
111.2
Méthode de prévision 187
111.2.1
Affaiblissement médian de propagation à long terme 187
IIL2.!.1
Distance angulaire et angles de site à l'horizon radioélectrique 187
111.2.1.2
Fonction d'affaiblissement 188
m.2.1.3
Affaiblissement par l'atmosphère 190
111.2.104
Gain en fréquence 190
III.2.1.5
Rendement de diffusion 192
111.2.2
Variation de l'affaiblissement médian à long terme sur j'année 192
111.2.2.1
Hauteur effective des antennes 194
III.2.2.2
Distance d'occultation " 194
III.2.2.3
Distance équivalente 194
III.2.2.4
Affaiblissement non dépassé pendantp% du temps 195
1I1.2.2.5
Probabilité de service 203
111.3
Bilan de transmission 203
111.3.1
Perte de couplage d'antenne 204
III.3.2
Perte de directivité transversale 206
III.3.2.1
Pointage manuel des antennes 210
III.3.2.2
Pointage automatique des antennes 211
1I1.3.2.2.1
Processus par approximations successives 212
IIIJ .2.2.2 Processus par itération : 214
111.3.3
Fréquence des évanouissements rapides 214
III.3A
Réception en diversité : 215
IH.3.4.1
Diversité d'espace 2J9
111.3.4.2
Diversité de fréquence 219
IIIJ.4.3
Diversité quadruple d'espace et de fréquence 219
IIIJ.4.4
Diversité angulaire 220
III.3.4.5
Diversité de polarisation 221
111.3.5
Disponibilité de la liaison 221
111.3.6
Bande de cohérence du canal 222
III.3.6.1
Méthode de SUNDE 223
111.3.6.2
Modèle de RICE 223
111.3.6.3
Modèle de COLLIN 224
111.3
.7 Composition de l'onde diffusée et de l'onde diffractée 225
1l1.3.8
Influence des réflexions sur le sol 226
III.3.9
Passage de l'année moyenne au mois quelconque 227
IlIA Exemples de liaisons transhorizon 228
IIIA.l
Liaison en diffraction sur arête 228
IIIA.2
Liaison en double diffraction 231
III.4.3
Liaison en diffusion sur Terre sphérique 234
III.5
Autres modèles de prédiction 237
111.5.1
Méthode II de l'UIT-R 237
111.5.2
Méthode 1de l'UIT-R 238
111.5.3
Méthode III de l'UIT-R 240
IV -LES LIAISONS SPATIALES
IV.I
Eléments d'ingénierie d'une liaison par Satellite 247
IV.I.1
Généralités 247
IV.1.2
Géométrie d'une liaison avec un Satellite géostationnaire 247
IV.I.2.1
Distance de géosynchronisme 248
IV.I.2.2
Détermination de l'azimut 248
IV.l.2.3
Détermination de la distance 249
IV.I.2.4
Détermination de J'élévation 249
IV.1.2.5
Détermination de l'angle vu par le Satellite 250
IV.I.2.6
Limite de visibilité optique 250
IV.I
.2.7 Angle de polarisation 250
IV .
2 Architecture d'une liaison par Satellite 250
IV .2.1 Caractéristiques générales du répéteur 251
IV.2.1.1
Zones de couverture 251
IV.2.1.2
Bande du répéteur 251
IV.2.1.3
Facteur de mérite 252
IV.2.1
A Amplificateur de puissance 252
IV.2.lA.1
Amplificateur à TOP 254
IV.2.IA.2
Amplificateur à état solide 256
IV.2.1.5
Flux saturant 257
IV.2.1.6
PIRE à saturation 257
IV.2.1.7
Bruit ramené à l'entrée du répéteur 258
IV.2.2
Caractéristiques générales d'une Station Terrienne 258
IV.2.2.1
Sources de bruit du système de réception 258
IV.2.2.2
Température de bruit de l'antenne 259
IV.2.2.3
Température totale de bruit du système de réception 260
IV.3
Bilan de liaison 261
IV.3.
1 Chemin descendant 261
IV.3.2
Allocation de ressource du répéteur 261
IV.3.3
Chemin montant 261
IV.3A
Rapport signal à bruit total 262
IV.3.5
Densité spectrale du répéteur 263
IV.3
.6 Taux d'occupation du répéteur par la porteuse 263
IV.3.7
Antenne de réception optimale 263
IV.3.8
Caractéristiques générales du signal 264
IV.3.8.1
Relations générales 264
IV.3.8.2
Types de modulation 265
IV.3.8.3
Caractéristique Eh/No 265
IV.3.8A
Codage correcteur d'erreurs 266
IV.3.8.5
Densité spectrale de puissance 268
IV.3.9
Objectif de qualité de la liaison .270
IV.3
.10 Techniques d'accès multiple .270
IV.3. J0.1
Accès multiple par répartition en fréquence (AMRF) 270
IV.3.l0.2
Accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) 271
IV.3.IO.3
Accès multiple par répartition en code (AMRC) 271
IV.3.11
Effet DOPPLER-FIZEAU 272
IVA Méthode de prévision 274
IVA .
1 Phénomènes qui entrent enjeu dans la propagation Terre-espace .274
IVA.I
.I Affaiblissement atmosphérique 274
IVA.I.2
Effets dus aux hydrométéores 274
IV04.1.3
Baisse de gain de l'antenne 274
IVA.IA
Effets dus à la scintillation troposphérique et aux trajets multiples 274
IVA.I.5
Effets dus à l'ionosphère 276
IV04.1.6
Sources de bruit externes 276
IVA.2
Prédiction de la probabilité totale d'interruption 276
IVA.3
Exemple de bilan de liaison 277
v-LES LIAISONS OPTIQUES
V.l
Les liaisons par fibres optiques 279
V.l.l
Généralités 279
V.l.2
Propagation guidée 279
V.l.3
Fibres monomodes 280
V.I.3
.1 Caractéristiques géométriques 281
V.I.3.2
Caractéristiques de propagation 281
V.1.3.2
.1 Pertes par diffusion 28 J
V.1.3.2.2
Pertes par absorption 281
V.I.3.2.3
Dispersion chromatique 282
V.1.3.2.4
Dispersion de polarisation modale , : 284
V.l
.3.2.5 Effets non linéaires 284
V.1.3.2.6
Pertes de courbure 284
V.1.3.2.7
Pertes de couplage 284
V.I.3.3
Bilan de liaison 285
V.I.3.3.1
Puissances minimale et maximale de réception 285
V.l.3.3.2
Atténuation due à la dispersion 285
V.I.3.3.3
Exemple de bilan de liaison 286
V.I.3.4
Techniques de multipl exage 287
V.l
.3.5 Autres types de fibres optiques 288
V.2
Les liaisons optiques en espace libre 288
V.2.l
Généralités 288
V.2.2
Propagation des ondes lumineuses dans l'atmosphère 288
V.2.3
Propriétés des faisceaux gaussiens 291
V.2.4
Liaisons spatiales optiques 292
VI-L'INFRASTRUCTURE DES STATIONS DE TELECOMMUNICATIONS
VLl Eléments d'ingénierie d'une Station de Télécommunications 293
VI.l
.1 Généralités 293
VLl .
2 Types de Stations de Télécommunications 293
VI.2
Conditions d'environnement 294
VI.2.1
Caractéristiques climatiques 294
VL2.2
Propriétés de l'air humide 295
VI.2.2.1
Composition de l'air 295
VI.2.2.2
Enthalpie de l'air humide 296
VI.2.2.3
Chaleur sensible et chaleur latente 297
VI.2.2.4
Détermination des caractéristiques de l'air humide 298
VI.2.2.5
Variation des caractéristiques de l'air humide avec l'altitude 299
VI.2.2.6
Pressions statique et dynamique 300
VI.2.2.7
Relation entre pression, volume et température 301
VU Systèmes de ventilation et de climatisation 302
VU .
I Ventilation directe 302
VU.2
Echangeurs de chaleur 305
VI.3.2.1
Echangeur air-air 305
VI.3.2.2
Echangeur caloduc 305
VI.3.2.3
Echangeur hydronique 306
VI.3.2A
Système à évaporation d'eau 308
VI.3.2.5
Système VAPOTRON 309
VI.3.2.6
Système de conditionnement d'air 310
VIA Processus d'échange thermique 312
VIA.l
Conduction 312
VI.4.2
Convection 312
VI.4.3
Rayonnement 313
VI.4A
Coefficient de transfert global... 313
VI.5
Abris de télécommunications 314
VI.5.1
Abri de surface à intégration thermique 314
VI.5.1.1
Abri à intégration thermique passif.. 318
VI.5.1.2
Abri à intégration thermique actif.. 320
VI.5.1.3
Abri hydronique 321
VI.5.2
Abri enterré 323
VI.5.2.1
Exemple d'abri enterré à ventilation directe 325
VI.5.2.2
Exemple d'abri merlonn éà échangeur caloduc 327
VI.6
Energie 328
VI.6
.1 Détermination de la consommation en énergie 328
VI.6
.2 Energie secondaire 328
VI.6.3
Energie primaire 329
VI.6.3.1
Groupe électrogène 330
VI.6.3.2
Système photovoltaïque 331
VI.6.3.3
Eolienne 334
VI.6.3A
Générateur thermo électrique 334
VI.6.3.5
Générateur à combustion externe 334
VI.6.3.6
Pile à combustible 334
VI.6.3.7
Combinaison de différentes sources 334
VI.7
Disponibilité globale des Systèmes de Télécommunications 335
VI.7.1
Disponibilité liée à la propagation 335
VI.7
.2 Disponibilité due au matériel 335
BIBLIOGRAPHIE 337