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.Explications technologiques

Contenu:

Définition | Fonctionnement de la radio analogique actuelle | L'avenir de la radio: la radio numérique

L'avenir de la radio: la radio numérique :

1. Codage/décodage du son:

Un son est une vibration dans l'air, un signal analogique qu'on peut représenter sous la forme d'une courbe mathématique indiquant l'intensité en fonction du temps. Lors de la conversion analogique/numérique, ce signal est traduit en une séquence de nombres binaires. La numérisation du son se fait en 2 étapes : l'échantillonnage et la quantification.
- L'échantillonnage consiste à mesurer l'amplitude de la forme d'onde à des intervalles de temps réguliers. Plus le nombre d'échantillons est grand, plus le signal est représenté finement et meilleure sera la qualité du son restitué.

Échantillonnage d'un signal audio quelconque:

Les impulsions représentent les amplitudes instantanées du signal à chaque instant t. La fréquence de ces impulsions est appelée fréquence d'échantillonnage. Assemblés, les échantillons donnent une représentation de la forme d'onde continue du signal.
- Pour quantifier un signal, on place les amplitudes des échantillons sur une échelle de valeurs à intervalles fixes puis on détermine dans quel intervalle de quantification (Q) l'échantillon se situe et on lui affecte une valeur représentant le point central de cet intervalle : on attribue à chaque amplitude un mot binaire unique.

Signal avant quantification / Signal après quantification:

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Dans un système binaire, le nombre de pas de quantification est égal à 2n avec n le nombre de bits (ou unités d'information : l'information 0 ou 1 correspond à 1 bit) utilisés par mots binaires pour représenter chaque échantillon. Comme on dispose d'un nombre limité de niveaux différents pour représenter l'amplitude du signal à chaque instant, on a une certaine marge d'erreur dans la quantification dont la valeur maximale est de 0,5Q : plus le nombre de bits par mot est important, plus l'erreur sera petite.
Lors de la conversion numérique/analogique, les mots binaires sont convertis en une chaîne de niveaux de tension correspondant aux valeurs des amplitudes des échantillons. La tension de sortie aura donc une forme d'escalier. En pratique, on va filtrer cette tension (avec un filtre passe-bas) pour lisser ces discontinuités de sorte que l'on obtienne une forme d'onde semblable à celle d'origine.

2. La radio numérique et ses différents modes de diffusion:

On distingue à ce jour plusieurs modes de diffusion pour la radio numérique dont les plus utilisés sont :
- la radio sur internet avec deux possibilités d'écoute : une écoute différée après le téléchargement de fichiers sonores complets sur l'ordinateur et le streaming audio grâce auquel le programme peut être écouté à partir du moment où il est appelé sur le réseau et transmis à l'ordinateur
- la radio numérique par câble, disponible avec les bouquets de télévision numérique (par câble).
Mais l'on s'intéressera plus particulièrement à deux autres modes de transmission en développement mais très peu accessibles du fait du coût trop élevé de leurs récepteur : le Digital Audio Broadcasting (DAB) et la radio numérique par satellite.

a. Le DAB (Digital Audio Broadcasting)

Le DAB est basé sur le procédé de compression MUSICAM qui réduit les signaux audio par sept en moyenne, sans appauvrissement perceptible de la qualité sonore, car il supprime les sons inaudibles pour l'homme.
L'importante compression des données pendant le procédé MUSICAM permet de regrouper plusieurs programmes sonores en un seul et même signal numérique grâce au processus de multiplexage qui consiste à insérer dans les intervalles de temps (plutôt long par rapport aux impulsions) qui séparent les impulsions (après échantillonnage) d'un signal, d'autres impulsions de courte durée, correspondant à un ou plusieurs autres signaux. C'est lors de cette étape que les informations textuelles et graphiques accompagnant les programmes DAB, sont ajoutées au flux sonore.
Le DAB utilise la bande de fréquence L (1452 à 1492MHz). A noter qu'il lui est allouée une autre bande en Europe, la bande III (223 à 230 MHz) qui n'est pas utilisée en France, car elle est réservée à l'usage des militaires.
On sait que le signal rencontre entre l'émetteur et le récepteur, de nombreux obstacles qui réfléchissent les ondes de manière aléatoires : les multiples trajets qu'emprunte alors le signal sont affectés d'un certain retard sur le trajet direct, d'où le terme d'échos. Ces échos provoquent deux types de défauts :
- l'interférence inter symbole, addition d'un symbole avec le suivant plus le précédent légèrement déphasé
- l'interférence intra symbole, addition d'un symbole avec lui-même légèrement déphasé.

Schéma représentant les interférences inter et intra symbole

Le système COFDM (Coded Orthogonal Frenquency Division Multiplex ou multiplex par division de fréquence orthogonale codée) utilisé en DAB consiste à décomposer le signal numérique à transmettre en une multitude de signaux, c'est à dire qu'au lieu d'avoir une seule porteuse à large bande modulée à haut débit par tout le flux numérique, on va répartir l'information sur un grand nombre de sous-porteuses (environ 1500) modulées individuellement à faible débit en QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) ou en QAM (Quadrature Amplitude Modulation) selon les besoins. Les fréquences des sous-porteuses adjacentes, espacées de 1 kHz (soit une largeur de spectre de 1,5 MHz), étant orthogonales, chaque sous-porteuse atteint son maximum quand les autres se croisent à la valeur nulle : il n'y a pas d'influence entre les différentes sous-porteuses, il n'y a donc pas d'interférence inter symbole entre le symbole d'une sous-porteuse et celui des sous-porteuse adjacentes. Pour qu'il n'y ait pas d'interférence inter symbole en dépit des échos, on insère, entre chaque symbole transmis, une zone " morte " dite intervalle de garde dont la durée est choisie supérieure à l'étalement des échos.

Insertion des intervalles de temps : il n'y a plus d'interférence inter symbole.
Selon qu'ils arrivent en phase ou en opposition de phase, les échos d'un symbole provoquent respectivement des interférences constructives (le signal est amplifié) ou destructives (le signal est atténué). On part du principe que si les signaux sont suffisamment éloignés en fréquence et en temps, il est très improbable qu'ils subissent les distorsions de manière identique. On va donc dupliquer les données à transmettre, puis les répartir de manière pseudo-aléatoire sur différentes sous-porteuses du canal. Les informations à l'origine consécutives vont être transmises à des instants différents et par des porteuses éloignées. Cette distribution incessante fait qu'il y a de fortes chances pour que chaque donnée (symbole) soit reçue au moins une fois correctement. Les calculs montrent que le niveau moyen des sous-porteuses sur l'ensemble du canal est augmenté de 3 décibels : les échos améliorent globalement la réception d'un signal COFDM alors qu'ils la dégradent dans le cas d'un système à porteuse unique.
Le DAB fonctionne également sur un réseau à fréquence unique (SFN, Single Frenquency Network) qui attribue à chaque programme une seule et même fréquence sur l'ensemble des zones à couvrir. Dans une zone de chevauchement entre plusieurs émetteurs, chaque nouveau signal s'ajoute à celui émis à proximité au lieu de le brouiller comme c'est le cas en modulation analogique. Pour que le réseau fonctionne correctement, il faut que :
- tous les émetteurs d'une même zone soient synchronisés en temps, ce qui est possible grâce à un signal de référence GPS
- l'étalement dans le temps des signaux reçus soit inférieur à la durée de l'intervalle de garde qui régit donc le temps maximum d'échos admissible par le système et détermine la distance maximum entre les émetteurs
- les fréquences de toutes les sous-porteuses du canal soient identiques d'un émetteur à l'autre.
Le respect de ces conditions assure au réseau isofréquence la possibilité de couvrir les zones d'ombre comme les tunnels et à l'automobiliste de pouvoir écouter la radio en déplacement sans changer de fréquence, sans interruptions et avec une qualité supérieure à la radio analogique. De plus, un seul émetteur numérique a la capacité d'émettre plusieurs programmes (jusqu'à sept), et permet de ce fait, une économie d'émetteurs et une réduction de la puissance de diffusion, un émetteur numérique pouvant se satisfaire d'un rapport signal/bruit plus faible que son homologue analogique.

b. La radio numérique par satellite

La plupart des systèmes de diffusion par satellite sont fondés sur la compression MPEG 2 (Moving Picture Experts Group 2). On utilise des satellites géostationnaires, qui, placés en orbite à 36 000 km de la Terre, fonctionnent dans la bande de fréquence L (comme le DAB) entre 1452 et 1492 MHz.
Les radiodiffuseurs émettent directement leurs programmes vers les satellites à partir de stations terrestres situées n'importe où dans la zone où le satellite est visible sous un angle d'élévation supérieur à 10°. Les signaux qui sont envoyés vers les satellites grâce à de petits émetteurs de 10 à 100W et à des antennes de type V-SAT de 2 à 3 mètres de diamètres, sont modulés en QPSK.

Antenne de type V-SAT de 2 mètres de diamètres

Dans les télécommunications par satellite, la distance séparant le point d'émission du point de réception est grande de sorte que l'intensité de l'onde radio à la réception est très faible. Par exemple, pour un trajet de 36 000 km, l'intensité d'une onde radio de 100 W à l'émission ne serait plus que de 1/200 000 000 000 000 W.m-2 à la réception. De plus, pendant une averse, la puissance du signal reçu peut être égale au centième de celle du même signal reçu dans des conditions climatiques favorables. Ceci est dû à ce que les gouttes de pluie absorbent les ondes radio. Le signal est donc émis avec plus de puissance qu'il n'est nécessaire pour compenser la perte subie pendant les averses. L'émission d'un signal demande donc beaucoup de puissance que l'on peut économiser, si l'on connaît l'emplacement exact du satellite, grâce à des dispositifs " directionnels " qui sont en fait des antennes paraboliques ou paraboles (ex : antennes de type V-SAT). La taille de l'antenne influe sur la puissance du signal : plus l'antenne à un grand diamètre, plus la puissance du signal reçu sera élevée.

Satellite W1 utilisé par Eutelsat pour de la diffusion radio notamment ; on voit très bien les antennes

Le satellite ayant reçu les programmes va alors les diffuser en direction de la Terre sous forme de faisceau comme c'est le cas du système Worldspace. On voit sur la carte ci-dessous que chaque satellite Worldspace dispose de trois faisceaux d'émission.

Chaque satellite Worldspace peut transmettre 24 heures sur 24, sur chaque faisceau, une capacité totale de 1536 kbits/s. En fonction de la capacité du canal utilisé, la qualité du son peut aller de la modulation d'amplitude mono (16 kbits.s-1) au son stéréo CD (la quasi perfection avec 128 kbits/s) en passant par la modulation de fréquence mono (32 kbits.s-1) et stéréo (64 kbits.s-1). Chaque faisceau comprend donc un certain nombre de canaux (de mêmes ou différentes capacités) dont la somme des capacités est inférieure ou égale à 1536 kbits.s-1. Les satellites peuvent, outre la radio, diffuser d'autres types d'information (texte, images, etc.) liés aux programmes grâce à un processus de multiplexage. A noter que les faisceaux diffusés par un même satellite ne contiennent pas forcément les mêmes programmes.
Enfin, les émissions de radio transmises par les satellites sont captées à l'aide de récepteurs (munis d'une antenne) individuels fixes, portables ou embarqués qui peuvent, pour certains modèles, capter les programmes des ondes courtes, AM et FM.

Conclusion :

Il a fallu de nombreuses années et le travail de nombreux physiciens tels que Faraday, Marconi, Maxwell, Ducretet et bien d'autres encore, pour arriver à la radio analogique actuelle. Les découvertes se sont en effet faites, petit à petit, et c'est leur somme qui a abouti à la radiodiffusion que nous avons aujourd'hui : la radio analogique AM et FM. Pour simplifier, un émetteur module le signal en amplitude ou en fréquence, puis celui-ci se propage, enfin, il est capté par un récepteur qui le démodule pour obtenir le signal original, le son. C'est ce qui se passe en analogique. En numérique, après avoir numériser le son, plusieurs choix son possible : diffusion par internet, câble, DAB ou satellite. Les principaux avantages sont une meilleure qualité du son et la possibilité d'associer aux programmes, du texte, des images, etc., lors du multiplexage. Mais, la radio numérique peut encore attendre avant d'évincer la radio analogique car elle est bien trop coûteuse.