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Application des techniques multiporteuses de type OFDM pour les futurs systèmes de télécommunications par satellite, Multicarrier transmission techniques (OFDM) for future satellite communications systems

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Description

Sous la direction de Marie-Laure Boucheret
Thèse soutenue le 30 mars 2009: INPT
Cette thèse étudie la possibilité d'appliquer les techniques de modulations multiporteuses de type OFDM dans les futurs systèmes de communications par satellite. Elle traite notamment du problème de synchronisation au niveau récepteur pour les systèmes de diffusion par satellite en bande Ka. L'objectif est de proposer une structure de réception ayant besoin du moins de ressources possibles pour synchroniser afin d'optimiser l'efficacité spectrale du système et obtenir un gain par rapport à un système monoporteuse. Une première partie du travail consiste à proposer et valider la structure de synchronisation. Ses performances en termes d'efficacité spectrale sont ensuite évaluées et comparées avec celles du DVB-S et du DVB-S2. Pour finir une étude de la complexité calculatoire de la structure proposée est menée. Les sources d'erreurs de synchronisation ayant été identifiées et leur impact sur les performances du système évalué, il s'avère que, mis à part l'erreur de fréquence horloge, les autres erreurs de synchronisation doivent être estimées et corrigées. La transmission en mode continu dans un système de diffusion par satellite permet l'utilisation d'une structure bouclée de type Non-Data-Aided en réception pour corriger les erreurs de synchronisation. Ceci évite l'utilisation de pilotes et permet ainsi d'améliorer l'efficacité spectrale du système. Cependant, cette structure de type aveugle nécessite une première étape de synchronisation grossière afin de limiter les interférences intersymboles et inter-porteuses pouvant conduire à une non convergence des boucles. Le procédé de synchronisation global s'effectue donc en deux étapes : une étape de synchronisation grossière utilisant l'intervalle de garde et quelques pilotes, suivie d'une étape de synchronisation plus fine utilisant des boucles de type Non-Data-Aided. L'étape de synchronisation grossière est dimensionnée (durée de l'intervalle de garde et nombre de pilotes) pour atteindre les performances d'estimation nécessaires à la convergence des boucles de la structure de synchronisation fine, tout en optimisant l'efficacité spectrale. L'efficacité spectrale obtenue est comparée avec celle des systèmes DVB-S et DVB-S2. Les performances de l'étape de synchronisation fine, en termes de dégradation du taux d'erreur binaire due aux erreurs de synchronisation, sont évaluées en l'absence puis en présence de bruit de phase. Les points de fonctionnement de la structure proposée sont donnés en utilisant les gabarits de bruit de phase des normes DVB-S2 et DVB-SH. Un gabarit de bruit de phase de Wiener conduisant aux gigues acceptées par le DVBS2 à l'entrée du décodeur est établi. Le temps d'accrochage, ainsi que la complexité calculatoire, de la structure proposée sont également évalués.
-OFDM
-Synchronisation
-Bruit de phase
-Satellite
-Boucle de phase
-Récepteur
This thesis studies the applicability of OFDM techniques for future satellite telecommunications systems. In particular, he treats the synchronization problem at the receiver for satellite broadcasting systems in Ka band. The system uses QAM modulation with M phase stages and works in continuous mode, at small signal to noise ratio (typically at Eb/N0 = 0dB). The main objective of this thesis is to propose a receiver synchronization structure using as least resources as possible in order to optimize spectral efficiency. Two studies are carried out. The first study consists of proposing and validating a synchronization structure in the aim of optimizing spectral efficiency. The second study evaluates the performance of this structure then, compares it with existing standards such as DVB-S and DVB-S2 in terms of spectral efficiency. For first study, synchronization errors have been identified and their impact on system performance evaluated. These results prove that excepting clock frequency error, other synchronization errors have to be estimed and corrected. The transmission in continuous mode for fixed satellite broadcasting system allows the use of NDA (Non-Data-Aided) loop structure in order to avoid the use of pilots, then improve spectral efficiency. However, these algorithms need a coarse synchronization stage in order to limit interference terms. So, the synchronization includes a coarse stage in order to limit interference terms and a finer stage in order to improve system performance. For coarse synchronization stage, simulation results prove that algorithms using guard interval give better performance than whom using pilots. The second study evaluates performance of the proposed structure. In coarse synchronization stage, this evaluation allows to specify guard interval length then, calculate and compare system performance in terms of spectral efficiency with its in DVB-S and DVB-S2 standards. Then, performance evaluation of fine synchronization stage allows to calculate degradations of the proposed structure in the absence and in presence of phase noise models, one of important parameters in a telecommunications system. This stage allows not only to define operating points of the proposed structure in presence of phase noise models in existing standards but also to define phase noise mask of Wiener model supported by this structure. Finally, a study on the hanging time of the proposed structure allows to evaluate the time neccesary to this structure, based on blind algorithms, to be converged. Another study also evaluates the complexity of this structure. This study shows that the synchronization structure proposed in this thesis uses little resources both in terms of spectral efficiency and number of calculations.
Source: http://www.theses.fr/2009INPT007H/document

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Langue Français
Poids de l'ouvrage 2 Mo

THÈSE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par : Institut National Polytechnique de Toulouse
Spécialité : : Réseaux, Télécommunication, Système et Architecture
présentée et soutenue par : HO Anh Tai
le : 30 Mars 2009
Titre : Application des techniques multiporteuses de type OFDM
pour les futurs systèmes de télécommunications par satellite
JURY :
Yves DELIGNON Professeur à Télécom Lille 1 Rapporteur
Jean-François HELARD Professeur à l’INSA de Rennes Rapporteur
Mathieu DERVIN Ingénieur de Recherche, Thales, Toulouse Examinateur
Xavier DEPLANCQ Ingénieur de Recherche, CNES, Toulouse Examinateur
Marie-Laure BOUCHERET Professeur à l’INPT, Toulouse Directrice de thèse
Nathalie THOMAS Maître de Conférence à l’INPT, Toulouse Codirectrice de thèse
Ecole doctorale : Mathématiques, Informatique, Télécommunications de Toulouse
Unités de recherche : IRIT/ENSEEIHT - TéSA
Directrice de Thèse : Marie-Laure BOUCHERET
Rapporteurs : Yves DELIGNON, Jean-François HELARD































pour ma famille
pour mes années passées à ToulouseRemerciements
Je voudrais commencer par remercier les professeurs Yves Delignon et Jean-François
Hélard qui ont accepté de juger mon travail de thèse et pour les remarques pertinentes
qu’ils ont faites lors de la soutenance.
Je remercie également Mathieu Dervin et Xavier Deplancq pour leur suivi de ma
thèse. Leur regard "industriel" ainsi que leurs remarques tout au long de ces trois an-
nées de travail m’ont aidé non seulement à progresser dans mon travail mais aussi
à élargir mes connaissances.
Je voudrais ensuite exprimer ma profonde reconnaissance à Marie-Laure Bou-
cheret, ma directrice de thèse, pour sa bonne conduite de cette thèse et ses innom-
brables idées. Je remercie aussi Nathalie Thomas, ma codirectrice de thèse, pour son
soutien quotidien pendant ces trois années ainsi que ses inoubliables feuilles vertes
aggrafées.
C’est par erreur si j’oublie les personnels des laboratoires TéSA et IRIT. Je vous
remercie de votre accueil et de votre humeur quotidienne. Avec vous, j’ai passé des
moments bien agréables. Vous allez me manquer.
Je remercie aussi la communauté vietnamienne à Toulouse, sans vous, je ne sais
pas si cette thèse a pu être terminée.
Et enfin, merci à ma famille qui m’a toujours fait confiance. C’est pour vous que je
dédie cette réussite.
vRésumé
Cette thèse étudie la possibilité d’appliquer les techniques de modulations multipor-
teuses de type OFDM dans les futurs systèmes de communications par satellite. Elle
traite notamment du problème de synchronisation au niveau récepteur pour les sys-
tèmes de diffusion par satellite en bande Ka. L’objectif est de proposer une structure
de réception ayant besoin du moins de ressources possibles pour synchroniser afin
d’optimiser l’efficacité spectrale du système et obtenir un gain par rapport à un sys-
tème monoporteuse. Une première partie du travail consiste à proposer et valider la
structure de synchronisation. Ses performances en termes d’efficacité spectrale sont
ensuite évaluées et comparées avec celles du DVB-S et du DVB-S2. Pour finir une
étude de la complexité calculatoire de la structure proposée est menée.
Les sources d’erreurs de synchronisation ayant été identifiées et leur impact sur les per-
formances du système évalué, il s’avère que, mis à part l’erreur de fréquence horloge,
les autres erreurs de synchronisation doivent être estimées et corrigées. La transmis-
sion en mode continu dans un système de diffusion par satellite permet l’utilisation
d’une structure bouclée de type Non-Data-Aided en réception pour corriger les er-
reurs de synchronisation. Ceci évite l’utilisation de pilotes et permet ainsi d’améliorer
l’efficacité spectrale du système. Cependant, cette structure de type aveugle nécessite
une première étape de synchronisation grossière afin de limiter les interférences inter-
symboles et inter-porteuses pouvant conduire à une non convergence des boucles. Le
procédé de synchronisation global s’effectue donc en deux étapes : une étape de syn-
chronisation grossière utilisant l’intervalle de garde et quelques pilotes, suivie d’une
étape de synchronisation plus fine utilisant des boucles de type Non-Data-Aided.
L’étape de synchronisation grossière est dimensionnée (durée de l’intervalle de garde
et nombre de pilotes) pour atteindre les performances d’estimation nécessaires à la
convergence des boucles de la structure de synchronisation fine, tout en optimisant
l’efficacité spectrale. L’efficacité spectrale obtenue est comparée avec celle des sys-
tèmes DVB-S et DVB-S2.
Les performances de l’étape de synchronisation fine, en termes de dégradation du taux
d’erreur binaire due aux erreurs de synchronisation, sont évaluées en l’absence puis
en présence de bruit de phase. Les points de fonctionnement de la structure proposée
sont donnés en utilisant les gabarits de bruit de phase des normes DVB-S2 et DVB-SH.
Un gabarit de bruit de phase de Wiener conduisant aux gigues acceptées par le DVB-
S2 à l’entrée du décodeur est établi. Le temps d’accrochage, ainsi que la complexité
calculatoire, de la structure proposée sont également évalués.Abstract
This thesis studies the applicability of OFDM techniques for future satellite tele-
communications systems. In particular, he treats the synchronization problem at the
receiver for satellite broadcasting systems in Ka band. The system uses QAM modula-
tion with M phase stages and works in continuous mode, at small signal to noise ratio
(typically at E /N = 0dB). The main objective of this thesis is to propose a recei-b 0
ver synchronization structure using as least resources as possible in order to optimize
spectral efficiency. Two studies are carried out. The first study consists of proposing
and validating a synchronization structure in the aim of optimizing spectral efficiency.
The second study evaluates the performance of this structure then, compares it with
existing standards such as DVB-S and DVB-S2 in terms of spectral efficiency.
For first study, synchronization errors have been identified and their impact on sys-
tem performance evaluated. These results prove that excepting clock frequency error,
other synchronization errors have to be estimed and corrected. The transmission in
continuous mode for fixed satellite broadcasting system allows the use of NDA (Non-
Data-Aided) loop structure in order to avoid the use of pilots, then improve spectral
efficiency. However, these algorithms need a coarse synchronization stage in order to
limit interference terms. So, the synchronization includes a coarse stage in order to
limit interference terms and a finer stage in order to improve system performance. For
coarse synchronization stage, simulation results prove that algorithms using guard in-
terval give better performance than whom using pilots.
The second study evaluates performance of the proposed structure. In coarse syn-
chronization stage, this evaluation allows to specify guard interval length then, calcu-
late and compare system performance in terms of spectral efficiency with its in DVB-S
and DVB-S2 standards. Then, performance evaluation of fine synchronization stage al-
lows to calculate degradations of the proposed structure in the absence and in presence
of phase noise models, one of important parameters in a telecommunications system.
This stage allows not only to define operating points of the proposed structure in pre-
sence of phase noise models in existing standards but also to define phase noise mask
of Wiener model supported by this structure.
Finally, a study on the hanging time of the proposed structure allows to evaluate
the time neccesary to this structure, based on blind algorithms, to be converged. Ano-
ther study also evaluates the complexity of this structure. This study shows that the
synchronization structure proposed in this thesis uses little resources both in terms of
spectral efficiency and number of calculations.Table des matières
Remerciements v
Résumé vii
Table des matières ix
Abréviations xiii
1 Contexte et spécifications du système 1
1.1 Contexte actuel des systèmes par satellite . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Les normes DVB-S, DVB-S2, et DVB-SH . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 La norme DVB-S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 La norme DVB-S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3 La norme DVB-SH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Le canal de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Modèle du canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Erreurs de synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Bruit de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3.2 Bruit de phase du DVB-S2 . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.3.3 Bruit de phase du DVB-SH . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3.4 Bruit de phase de Wiener . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3.5 Critère de performances : gigue de phase . . . . . . 10
1.4 Modulation multiporteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.2 Porteuses orthogonales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3 Intervalle de garde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.4 Implantation numérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.5 Avantages et inconvénients de l’OFDM . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Paramètres du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.1 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
ixTable des matières
1.5.2 Nombre de porteuses N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.3 Point de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Synchronisation en OFDM 19
2.1 Sources d’erreurs de synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Erreur de phase horloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1.2 Impact de l’erreur de phase horloge . . . . . . . . . 20
2.1.2 Erreur de fréquence horloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.3 Erreur de fréquence porteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3.2 Impact de l’erreur de fréquence porteuse . . . . . . 25
2.1.4 Erreur de phase porteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Algorithmes de synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1 Algorithmes exploitant l’intervalle de garde . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Algorithmes exploitant les symboles pilotes . . . . . . . . . . 30
2.2.3 Algorithmes utilisant les boucles . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.4 Récupération de phase porteuse . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3 Structure de synchronisation proposée . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Synchronisation de fréquence porteuse et de phase horloge 39
3.1 Étape de synchronisation fine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Boucle de fréquence porteuse . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.1.1.1 Détecteur de fréquence porteuse . . . . . . . . . . 41
3.1.1.2 Plage de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.1.3 Comparaison avec d’autres détecteurs . . . . . . . 43
3.1.1.4 Performances de la boucle . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.2 Boucle de phase horloge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.2.1 Choix du détecteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.2.2 Plage de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2.3 Bruit de quantification . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.2.4 Performances de la boucle de phase horloge en fonc-
tion du paramètre w . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2.5 Performances de la boucle de phase horloge en fonc-
tion de N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3 Interaction entre les boucles imbriquées . . . . . . . . . . . . 55
3.1.3.1 Impact de la boucle de fréquence porteuse sur la
boucle de phase horloge . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.3.2 Impact de la boucle de phase horloge sur la boucle
de fréquence porteuse . . . . . . . . . . . . . . . . 57
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