Théorie
MIMO/Beamforming
Le MIMO ou Multiple-Input Multiple-Output(« entrées multiples, sorties multiples » en français) est une
technique de multiplexage utilisée dans les réseaux sans fil et les réseaux mobiles permettant des transferts
de données à plus longue portée et avec un débit
plus élevé qu’avec des antennes utilisant la technique SISO (Single-Input Single-Output).
Ils se divisent en 3 catégories principales:
Diversité spatiale
En employant les diverses antennes émettrices et réceptrices, on identifie le couple d’antenne amenant vers la meilleure transmission d’information, ou meilleure qualité de transmission ce qui permet d’augmenter le ratio signal/bruit.
Emploie des canaux optimaux.
Multiplexage spatial
En créant plusieurs canaux d’information entre les différentes antennes émettrices et réceptrices (création de plusieurs couples), on répartie l’information totale qui doit se faire transmettre. On améliore donc la
vitesse de transmission d’information, ou débit.
Emploie de plusieurs canaux simultanément.
On peut également utiliser le multiplexage spatial en l’associant à la diversité spatial afin d’avoir la possibilité de créer à partir d’un système MIMO de plusieurs antennes réceptrices et émettrices, des sous-systèmes traitant
d’un côté le mutliplexage et de l’autre la diversité.
Beamforming
En modifiant les phases des signaux émis par les différentes antennes, on crée des interférences, qui sont destructives en différents points de l’espace. Ainsi on peut donc se retrouver avec uniquement certains récepteurs dans des zones sans signal, via les interférences. Ceci permet donc de cibler qui peut recevoir l’information.
Cela correspond donc au fait que certains canaux n’apportent aucun signal.
Notre projet est centré sur l'utilisation du Beamforming. Ainsi on ne modifiera que le déphasage à l'émission de nos ondes
pour réaliser une interférence constructive ou destructive sur notre antenne réceptrice. Une fois le sytème correctement décrit, il est
théoriquement possible de coder des informations et les transmettre sous forme binaire. Notre système
n'utilise qu'une seule antenne réceptrice, il n'est donc pas un système MIMO mais un système MISO (Multiple-Input Single-Output), cependant le principe de fonctionnement est sensiblement le même.
Diversité spatiale
En employant les diverses antennes émettrices et réceptrices, on identifie le couple d’antenne amenant vers la meilleure transmission d’information, ou meilleure qualité de transmission ce qui permet d’augmenter le ratio signal/bruit. Emploie des canaux optimaux.
Multiplexage spatial
En créant plusieurs canaux d’information entre les différentes antennes émettrices et réceptrices (création de plusieurs couples), on répartie l’information totale qui doit se faire transmettre. On améliore donc la vitesse de transmission d’information, ou débit. Emploie de plusieurs canaux simultanément. On peut également utiliser le multiplexage spatial en l’associant à la diversité spatial afin d’avoir la possibilité de créer à partir d’un système MIMO de plusieurs antennes réceptrices et émettrices, des sous-systèmes traitant d’un côté le mutliplexage et de l’autre la diversité.
Beamforming
En modifiant les phases des signaux émis par les différentes antennes, on crée des interférences, qui sont destructives en différents points de l’espace. Ainsi on peut donc se retrouver avec uniquement certains récepteurs dans des zones sans signal, via les interférences. Ceci permet donc de cibler qui peut recevoir l’information. Cela correspond donc au fait que certains canaux n’apportent aucun signal.
Interférence
Le but du système est de réussir à construire une onde d'intensité maximale ou minimale. Pour cela on construit des interférences grâce à un déphasage temporelle entre
les deux antennes émettrices. En fonction de ce déphasage, il y aura des endroits de l'espaces ou les deux fronts d'ondes
seront en opposition de phase, ce qui conduit à une atténuation de son amplitude. Au contraire, si les deux ondes sont en phases,
les amplitudes vont se sommer. C'est le principe des interférences.
Chacune des deux antennes émet une onde qui s'ecrit sous la forme:
Le déphasage écrit sur l'équation est dû au cablage utilisé pour relier l'analyseur de réseau à nos antennes. En théorie, il est le même pour nos deux antennes, car les cablages sont identiques. Ainsi la différence de phase entre nos 2 ondes ne dépend pas de ce paramètre. Les fréquences sont également les même pour les 2 antennes, on a donc:
Le terme d'interférence peut alors être exprimé comme:
Le terme d'interférence est maximal lorsque l'argument du cosinus est nul (modulo 2π) et minimal quand l'argument est égal à -π (modulo 2π). On peut alors trouver les phases pour lesquelles l'interférence est constructive/destructive en fonction des distances entre l'antenne 1 et l'antenne de réception (r1) et la distance entre l'antenne 2 et l'antenne de réception(r2):
Détermination des distances
En théorie il est possible de déterminer la différence de distance entre les 2 couples
d'antennes grâce aux déphasages donnant les interferences constructives.
En effet, la phase tourne à une "vitesse" proportionnelle a la difference de distance (r1-r2).
Donc pour un même déphasage, la différence de fréquence pour lesqulles l'interference est constructive est liée
à la différence de distance. On a:
Pour 2 fréquences optimales consécutives, on sait que la phase à tourner de 2π. On a donc la relation:
Malheureusement les premières applications de cette théorie n'ont pas été pertinentes, et nous n'avons pas eu le temps de déterminer les raisons de ces incohérences. On ne traitera donc pas de cette partie dans l'analyse des résultats.
Fonctionnement du matériel
Calibration de l'analyseur de réseau
Pour utiliser l'analyseur de réseau, il nous faut d'abord calibrer afin de minimiser les erreurs notamment sur
l'acquisition des phases en sorti.
Lors de la calibration, on effectue 3 mesures sur chaque câble à l’aide de 3 outils. Ces outils sont load (une résistance de 50 ohm), short et open. Load nous permet de connaître la perte du câble, car la résistance du load est connue. Short met le câble en court-circuit et nous permet de connaître la transmission du câble ainsi que le déphasage du signal introduit par le câble. Open met le câble en circuit ouvert et nous permet d’en connaître la réflexion et de retrouver le même déphasage qu’avec le Short. Les outils short et open permettent également de trouver la longueur du câble. Ainsi lorsque l’on met un circuit entre les 2 câbles calibrés, on peut étudier directement l’action du circuit sur le signal, car l’analyseur de réseau prend déjà en compte l’action des câbles sur le signal. De plus l’analyseur de réseau fournira des informations sur les signaux transmis et réfléchis par chacun des câbles.
Outils de calibration de l'analyseur de réseau
IQ Modulateur
L'IQ modulateur est au centre de nos expériences, car c'est lui qui nous permet de moduler les signaux éléctriques
émis par l'analyseur de réseau.
Fonctionnement de l’IQ modulateurs : le signal est décomposé en 2 parties, I et Q, chacune possédant les informations sur la phase, la pulsation et l’amplitude. I contient l’information de la phase dans un cosinus, Q dans un sinus. Pour modifier l’amplitude et la phase, on opère les variations dans I et Q.
On peut alors définir la nouvelle amplitude et la nouvelle phase de notre signal en posant :
L'évaluation du comportement de l'IQ modulateur est détaillée en profondeur dans le compte-rendu.
Calibration de l'analyseur de réseau
Pour utiliser l'analyseur de réseau, il nous faut d'abord calibrer afin de minimiser les erreurs notamment sur
l'acquisition des phases en sorti.
Lors de la calibration, on effectue 3 mesures sur chaque câble à l’aide de 3 outils. Ces outils sont load (une résistance de 50 ohm), short et open. Load nous permet de connaître la perte du câble, car la résistance du load est connue. Short met le câble en court-circuit et nous permet de connaître la transmission du câble ainsi que le déphasage du signal introduit par le câble. Open met le câble en circuit ouvert et nous permet d’en connaître la réflexion et de retrouver le même déphasage qu’avec le Short. Les outils short et open permettent également de trouver la longueur du câble. Ainsi lorsque l’on met un circuit entre les 2 câbles calibrés, on peut étudier directement l’action du circuit sur le signal, car l’analyseur de réseau prend déjà en compte l’action des câbles sur le signal. De plus l’analyseur de réseau fournira des informations sur les signaux transmis et réfléchis par chacun des câbles.
Outils de calibration de l'analyseur de réseau
IQ Modulateur
L'IQ modulateur est au centre de nos expériences, car c'est lui qui nous permet de moduler les signaux éléctriques
émis par l'analyseur de réseau.
Fonctionnement de l’IQ modulateurs : le signal est décomposé en 2 parties, I et Q, chacune possédant les informations sur la phase, la pulsation et l’amplitude. I contient l’information de la phase dans un cosinus, Q dans un sinus. Pour modifier l’amplitude et la phase, on opère les variations dans I et Q.
Fonctionnement de l’IQ modulateurs : le signal est décomposé en 2 parties, I et Q, chacune possédant les informations sur la phase, la pulsation et l’amplitude. I contient l’information de la phase dans un cosinus, Q dans un sinus. Pour modifier l’amplitude et la phase, on opère les variations dans I et Q.
On peut alors définir la nouvelle amplitude et la nouvelle phase de notre signal en posant :