Article Bossuet Ferre

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Étude et modélisation sous Simulink d’une chaîne de transmission DVB-S Lilian BOSSUET, Guillaume FERRE ENSEIRB – Département Electronique 1, avenue du Dr Albert Schweitzer — BP 99 – 33402 TALENCE Cedex – France Email : lilian. [email protected] fr & guillaume. [email protected] fr Résumé La modélisation informatique de systèmes de communications est un moyen efficace et rapide pour mettre en lumière les performances et les principales difficultés de conception de ces servant de bibliothèq permet de modéliser pédagogique des cha exemple les perform or 21 Sv. vxto iew n comme Simulink our en analyser par de taux d’erreur binaire (TEB). Cest ainsi que nous proposons aux étudiants de tout d’abord analyser et comprendre la norme DVB-S, pour en modéliser la transmission au niveau de la couche physique. La réalisation de cet enseignement passe donc par trois étapes principales. En effet, dans un premier temps, nous fournissons aux étudlants seulement la norme DVB- S. Cela leur permet alors de voir comment est rédigée une norme et d’en extraire le maximum d’informations pour modéliser la couche physique.

Au bout d’une heure, nous leur distribuons une ynthèse contenant les principaux paramètres de la norme (codeur interne, codeur externe, entrelaceur/désentrelaceur, taille des paquets, débits, bande passante… ),

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puis au travers de quelques questions, satellite, modélisation Simulink, étude d’une norme. 1. Introduction L’étude, la conception, le développement et la production de produits technologiques s’appuient très largement sur l’utilisation de normes internationales (normes OSI). ingénieur doit donc être capable d’utiliser ces normes. Celles-ci se trouvent dans tous les domaines technologiques, aussi il est ndispensable durant la formation des jeunes étudiants ingénieurs de les mettre en face de documents de normes et les amener à appréhender ces outils de travail. C’est ce que nous nous proposons de faire à travers ce projet qui concerne l’étude et la simulation d’une chaîne de transmission DVB-S (Digital Video Broadcasting by Satellite) à partir de la norme européenne éditée par l’ETSl [1-21.

L’évolution croissante des télécommunications par satellite a conduit à une normalisation des systèmes de communications, la norme DVB-S fait partie de ces normes pour la transmission de vidéo. Cette norme est basée sur l’échange de données au format MPEG-2 en utilisant une liaison par satellite. D’autres normes, comme la norme DVB-C pour le câble et la norme DVB-T pour les émetteurs terrestres, traitent de l’échange de fichier du même type mais dans des canaux de communications différents.

La compréhension et la mise en œuvre de la norme DVB-S pour un étudiant ingénieur en filière électronique numérique n’est pas simple. Aussi pour permettre aux étudiants de mener à bien ce projet de modélisation de la norme avec le logiciel Simulink, nous proposons une approche didactique. Les ?tudiants, en binôme, progressent ar palier dans la modélisation et vérifient à chaqu PAGF 91 didactique.

Les étudiants, en binôme, progressent par palier dans la modélisation et vérifient à chaque étape la correspondance avec la norme par le bials de métriques caractéristiques comme l’évaluation du taux derreur binaire (ou TEB) par exemple. A travers ce projet nous souhaitons développer les compétences d’autonomie, de modélisation et d’abstraction des étudiants, afin de les préparer au mieux aux attentes de leurs futures fonctions.

Après avoir présenté la formation à PENSEIRB et plus articulierement la spécialité Système de Radio et Télécommunications (SRT) nous ferrons une présentation pédagogique de ce projet. Celle-ci nous permettra de montrer la finalité de celui-ci vis à vis de la formation des élèves ingénieurs en dernière année de formation. Puis une présentation technique du projet permettra de donner les éléments indispensables à la compréhension du projet et à sa mise en œuvre.

Enfin nous exposerons le déroulement du projet et nous donnerons les principaux résultats de simulations. 2. ‘option SRT (Systèmes de Radio et Télécommunications) du épartement électronique de FENSEIRB Le projet pédagogique de l’ENSElRB (École Nationale Supérieure d’Electronique, Informatique et Radiocommunications de Bordeaux) [3] est de former des ingénieurs aux compétences multiples et opérationnelles, aptes à s’épanouir dans leur vie professionnelle et à devenir des éléments moteurs du développement de leur entreprise.

L’ENSEIRB s’efforce ainsi de concilier, dans ses objectifs de formation, le développem ualités fondamentales de qualités fondamentales de l’ingénieur d’aujourd’hui : l’efficacité immédiate pour les entreprises et l’indispensable daptabilité aux mutations technologiques. parmi les quatre départements de l’école, le département électronique offre une formation couvrant les principaux domaines de l’électronique, de l’analogique au numérique, auxquels on peut ajouter l’apprentissage des approches systèmes, indispensables pour les nouvelles technologies.

Les principaux secteurs visés par cette formation sont la micro- électronique, les équipements de télécommunications, les équipements informatiques et multimédia, l’aéronautlque, l’automobile et l’instrumentation. Les élèves de ce département choisissent en ernière année une spécialité. Parmi les différentes possibilités, la spécialité Système de Radio et Télécommunication (SRT) apporte aux étudiants une connaissance technique approfondie des technologies, des circuits et des systèmes pour les télécommunications.

Nous développons aussi leurs compétences sur la conception et la caractérisation de ces systèmes, et nous les formons aux méthodes d’analyse de la qualité et de la sécurité des transmissions. Ainsi les élèves disposent en fin de formation de deux double compétences, analogique et numérique, radiocommunications et élécommunications.

Durant le semestre de spécialisation SRT, les étudiants reçoivent de nombreux enseignements théoriques et pratiques du domaine concerné, comme : les techniques avancées de modulations, les standards et protocoles de communications, la structure des objets communicants, les architectures d’émissions/réceptions et les principales fonctions in 1 des objets communicants, les architectures d’émissions/réceptions et les principales fonctions intégrables, le traitement numérique des données, la sûreté de fonctionnement et la fiabilité, ainsi que de nombreux nseignements plus larges de culture de l’ingénieur et de langues vivantes. . Présentation pédagogique du projet Le but pédagogique de ce projet est de développer Pautonomie des étudiants et de leur faire concrètement étudier une norme de télécommunications. Nous avons choisi la norme DVB-S [4] plus simple à mettre en œuvre sous Simulink que son évolutlon DVB- S2 ou encore que la DVB-T Dans le cadre de ce projet, nous nous adressons à des étudiants en fin de formation, c’est pourquoi l’encadrement durant le projet est le plus léger possible.

Dans un premier temps les étudiants suivent ouvent une approche empirique, qui par essais successifs leur donne tout d’abord de bons résultats mais qui les conduits rapidement à une impossibilité de pousser plus loin la modélisation dès que le modèle devient complexe. C’est en se rapprochant de la norme et en étudiant bloc après bloc, comme nous le ferons dans la section 4, que les étudiants réussissent ? modéliser la chaîne complète d’émission et de réception. Les étudiants en binôme doivent modéliser le système complet, pour cela ils disposent de 16 heures de travaux pratiques encadrées.

Les salles de projet sont en libre ccès pour les étudiants qui souhaitent travailler en dehors des heures encadrées. Bien que regroupé en binôme, nous encourageons les étudiants à échanger des informations et réfléchir en équipe aux solutions à apporter aux p PAGF s 1 échanger des informations et réfléchir en équipe aux solutions ? apporter aux problèmes rencontrés durant le projet. Les étudiants concernés par ce projet sont en fin de formation d’ingénieur, ils ont une bonne maitrise du logiciel Matlab-Simulink.

En deuxième année par exemple, durant 12H00 de TP, ils modélisent les modulations numériques (BPSK, QPSK etc. directement en code Matlab. Cest pourquoi dans ce projet nous nous appuyons sur ces connaissances pour passer ? un niveau d’abstraction plus élevé et nous utilisons les blocs préconçus de la librairie Telecommunication Toolbox de Matlab-Simullnk. La notation du projet prend en compte plusieurs points, l’attitude de l’étudiant durant le projet, son autonomie et un rapport écrit par binôme présentant les principaux résultats. 4. Présentation technique du projet : la norme DVB-S 4. Introduction au DVB DVB signifie Digital Video Broadcasting. C’est un standard de communicatlon basé sur le MPEG-2 Moving Picture Experts Group). DVB définit comment transmettre des données au format MPEG-2 en utilisant le satellite (DVB-S le câble (DVB-C et la diffusion terrestre (DVB-T A l’exception des Etats-Unis d’Amérique, du Mexique, du Canada et de la Corée du Sud, le DVB a été adopté par tous les pays dans le monde pour la télévision et la radio numérique. Les travaux que nous présentons ne traitent que du DVB-S. La norme DVB-S est l’application de la norme DVB aux transmissions par satellite.

Cette norme tient compte des caractéristiques d’une transmission satellitaire, ? savoir : PAGF 1 atellitaire, à savoir : La bande disponible est relativement large : de 26 à 36 MHz. Le canal est de type AWGN (Additive White Gaussian Noise), Le signal est fortement atténué et dominé par le bruit, La transmission est en ligne directe. Il faut donc mettre en œuvre une transmission efficace à faible rapport signal à bruit. On utilise pour cela, une modulation QPSK associée à un schéma de codage évolué : un codeur de Reed-Solomon (RS) suivi d’un entrelaceur et d’un codeur convolutif (efficace pour réduire le taux d’erreur).

En effet le schéma de codage de canal du DVB-S est très particulier et il orte le nom de schéma de codage concaténé. Ainsi du côté récepteur, le premier décodeur (inner decoder) corrige les erreurs en sortie du démodulateur (code convolutif). Le décodeur de sortie (outer decoder), de type RS, a pour but de corriger les rafales occasionnelles d’erreurs introduites par le premier décodeur, qul lui est classiquement un décodeur de Viterbi. En effet, le décodeur de Viterbi produit des rafales d’erreurs (bursts) dans le flot de bits (bitstream) dont la longueur dépasse généralement la capacité de correction du décodeur RS.

Afin d’évi e et d’améliorer les PAGF 7 1 ontre les éléments de la chaîne d’émission et de réception. Comme nous le voyons sur cette figure de nombreux blocs élémentaires rentrent en jeux dans cette chaîne, c’est pourquoi le paramétrage complet de la chaîne est compliqué et demande une démarche rigoureuse. Les canaux de communications satellitaires étant plutôt bruités, le signal transmis est à ce titre, sujet ? un grand nombre d’erreurs.

Comme les transmissions satellites sont de type broadcast, le récepteur ne peut pas envoyer un message à l’émetteur pour dire « Je n’ai pas reçu le dernier message, pouvez-vous le retransmettre ! On utilise pour cela le FEC (Forward Error Correction). C’est-à-dire que l’émetteur envoie, avec le signal, des informations pour la correction d’erreurs, dans le but de permettre au récepteur de reconstituer le flot de bits (si des erreurs se produisent). Le FEC utilisé avec la modulation QPSK comporte deux formes de correction d’erreurs.

La première correction utilise l’algorithme de Viterbi, qu’on associe à une fraction (par exemple 2/3). Cette fraction définit la quantité de débit symbole utilisée pour les données réelles, le reste étant utilisé pour la correction d’erreurs. Dans le cas choisi, 13 des symboles sont utilisés pour transmettre les données et 1/3 pour transmettre les informations pour la correction d’erreur. Figure 1 – Chaines simplifiées d’émssion et de réception satellite. Après avoir réalisé l’algorithme de Viterbi, la seconde forme de correction d’erreurs est relative au codage de Reed-Solomon.

En effet, sur 204 octets transmis, 188 contiennent des données et les 16 octets restant sont utilisés 204 octets transmis, 188 contiennent des données et les 16 octets restant sont utilisés comme bits de parités pour aider ? corriger les éventuelles erreurs restantes. Le principe du FEC utilise aussi l’entrelacement des flux de données, pour limiter l’impact en termes derreur d’un bruit intempestif dans le flux de données, de la même façon que les CDs l’utilise pour éviter que des rayures ne produisent des pertes d’informations sonores. 4. Illustration de l’intérêt d’un entrelaceur Considérons le message suivant : Le message est reçu Après entrelacement, le message pourrait ressembler ? çeat sum seLe geres Si une erreur devait se produire et effaçait la partie « sum » du message (surlignée en jaune), le message désentrelacé serait : Le *essage e*t reç* On s’aperçoit alors que seuls des caractères isolés (représentés par les astérisques et surlignés en jaune) manquent au message, si ce dernier n’avait pas été entrelacé, il ne serait pas possible de corriger les erreurs du fait du pouvoir de correction limité du décodeur RS. . 3 Principaux paramètres dune chaîne d’émission/réception DVB-S Le tableau 1 résume les principales caractéristiques d’une chaîne d’émission-réception DV3-S comme celle présentée schématiquement sur la figure 1. Les différents blocs composant la chaine d’émission-réception oivent être configurés de sortes ? obtenir une continuité des signaux durant la transmission et d’apporter à cette dernière une robustesse vis-à-vis des erreurs pouvant intervenir durant la communication dans le canal bruité.

Tableau 1 – Principaux pa e chaine DVB-S. bruité. Tableau 1 — Principaux paramètres d’une paramètres dune chaîne DVB-S Codage vidéo MPEG-2 Codage Audio MPEG-I Longueur des paquets transportés 188 octets Polynôme de brouillage I 14+Xl 5 Codeur de Reed-Solomon 204, 188, -r=8 Entrelacement convolutif 12 blocs Codeur convolutif 171, 133 Modulation QPSK chaîne DVB-S.