système de communication optique à accès multiple par répartition de code à saut rapide de ...

157 Pages·2002·1.75 MB·French

LOUIS-PATRICK BOULIANNE

SYSTÈME DE COMMUNICATION OPTIQUE À ACCÈS
MULTIPLE PAR RÉPARTITION DE CODE À SAUT RAPIDE
DE FRÉQUENCE

Mémoire
présenté
à la faculté des études supérieures
de l’Université Laval
pour l’obtention
du grade de maître ès sciences (M. Sc)

Département de génie électrique et de génie informatique
FACULTÉ DE SCIENCES ET DE GÉNIE
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC

NOVEMBRE 2001

 Louis-Patrick Boulianne, 2000-2001
ii

À ma fiancée, mon amour, Marie-Pierre
iii
RÉSUMÉ

Nous présentons dans ce mémoire nos travaux portant sur l’étude des systèmes de
communication optique à accès multiple par répartition de code et à saut rapide de fréquence.
L’approche consiste à utiliser une chaîne de plusieurs réseaux de Bragg inscrits dans la même
fibre optique. Cette chaîne est la clé du système. Elle permet l’encodage et le décodage
d’impulsions optiques. L’étude du système et en particulier l’étude des codes utilisés vont
être présentées. Les codes à une coïncidence ont été retenus pour fin d’analyse et une
statistique développée de ces codes a été réalisée. Une modification à l’architecture de
l’encodeur est également proposée et une nouvelle version de codes à une coïncidence est
également présentée. Une étude sur l’effet du bruit de battement interférométrique est
amorcée. Ce bruit provient de l’utilisation de sources optiques à émission spontanée dont les
différentes composantes fréquentielles interfèrent entre elles au détecteur.

_______________________ _______________________
Louis-Patrick Boulianne Dr. Leslie Ann Rusch
Étudiant de deuxième cycle Directrice de recherche
ii
AVANT-PROPOS

En premier lieu, je souhaite remercier ma directrice, la professeure Leslie Ann Rusch,
qui a dirigé mes travaux durant toutes ces années et qui a rendu possible mon rêve de
compléter des études graduées. Elle a toujours été présente afin de me transmettre ses
connaissances et son enthousiasme.

Je remercie également Habib Fathallah grâce à qui le FFH-CDMA optique avec
réseaux de Bragg existe et est devenu un des projets importants du COPL. Nos nombreuses
discussions ont maintes fois été enrichissantes.

Je veux remercier Lubo Tancevski qui malgré son court séjour au laboratoire a su être
d’une aide exceptionnelle dans l’approfondissement de mes connaissances sur le bruit de
battement interférométrique.

Merci à la professeure Sophie Larochelle qui, d’une main de maître, tient l’avancement
des travaux sur les réseaux de Bragg.

Merci également aux professeurs Michel Duguay et Michel Têtu pour les
questionnements et les idées suscités au laboratoire.

Merci au professeur Pierre Tremblay qui m’a fait confiance et m’a ouvert les portes
chez ABB-Bomem.

Merci à tous mes collègues gradués qui, pendant toutes ces années, m’ont fait sentir
que j’appartenais à une grande famille, et particulièrement, à mes camarades des cent coups :
Jeff, Jean-Phil et Tony.
iii

Je désire souligner la participation financière du Conseil de Recherches en sciences
naturelles et en génie du Canada (CRSNG), de Québec Tel. inc. ainsi que du Centre d’optique,
photonique et laser de l’Université Laval.

En dernier lieu, je souhaite remercier les personnes les plus importantes de ma vie pour
leur patience et leur soutien: Marie-Pierre, Francine, Louis-Marie, Colette, Raymond,
Christine, Mireille et le compagnon de mes nuits de rédaction, Ti-chat.

``The truth is out there``
The X-files
iv
TABLE DES MATIÈRES

RÉSUMÉ_________________________________________________________________ iii
AVANT-PROPOS___________________________________________________________ii
TABLE DES MATIÈRES ___________________________________________________ iv
LISTE DES FIGURES______________________________________________________vii
LISTE DES TABLEAUX____________________________________________________ ix
INTRODUCTION___________________________________________________________1
CHAPITRE 1. Les systèmes optiques à accès multiple par répartition de code ________3
1.1 Les systèmes de communication optique_______________________________________4
1.1.1 Les systèmes à accès multiple par répartition dans le temps______________________________ 5
1.1.2 Les systèmes à accès multiple par répartition de longueurs d’onde_________________________ 7
1.1.3 Les systèmes à accès multiple par répartition de code___________________________________ 9
1.2 Le CDMA optique________________________________________________________12
1.2.1 Le CDMA à encodage temporel __________________________________________________ 12
1.2.2 Le CDMA à encodage fréquentiel_________________________________________________ 14
1.2.3 Le CDMA à saut de fréquence____________________________________________________ 17
1.3 Le FFH-CDMA optique ___________________________________________________19
1.3.1 L’implémentation optique_______________________________________________________ 19
1.3.2 Les codes____________________________________________________________________ 20
1.3.3 La détection__________________________________________________________________ 22
CHAPITRE 2. Composantes et architecture du FFH-CDMA. ____________________24
2.1 Les réseaux de Bragg _____________________________________________________25
2.1.1 Écriture des réseaux____________________________________________________________ 25
2.1.2 Incorporation dans un système____________________________________________________ 27
2.1.3 Techniques d’écriture___________________________________________________________ 28
2.1.4 La chaîne de réseaux de Bragg ___________________________________________________ 30
2.1.5 Interrogation de la chaîne de réseaux de Bragg_______________________________________ 32
2.1.6 La syntonisation de la fréquence de Bragg __________________________________________ 37
2.1.7 La syntonisation de la chaîne de réseaux de Bragg____________________________________ 40
2.2 Les sources large bande ___________________________________________________42
2.2.1 Les sources à émissions spontanées amplifiées_______________________________________ 42
2.2.2 Les lasers à impulsions courtes ___________________________________________________ 44
2.2.3 Autres sources multi-longueurs d’ondes ____________________________________________ 46
v
2.2.4 Le taux de transmission_________________________________________________________ 46
2.3 Analyse de l’architecture __________________________________________________49
2.3.1 Encodeur ____________________________________________________________________ 49
2.3.2 Canal de communication________________________________________________________ 51
2.3.3 Décodeur ____________________________________________________________________ 53
CHAPITRE 3. Les codes à une coïncidence___________________________________55
3.1 Les contraintes physiques sur les codes ______________________________________56
3.1.1 Non-réutilisation des fréquences__________________________________________________ 56
3.1.2 Discrimination temporelle des fréquences___________________________________________ 56
3.1.3 Syntonisation des réseaux de Bragg________________________________________________ 57
3.1.4 Le taux de transmission_________________________________________________________ 57
3.2 Les codes à une coïncidence________________________________________________58
3.2.1 Description___________________________________________________________________ 58
3.2.2 Construction des codes _________________________________________________________ 60
3.2.3 Les statistiques du code_________________________________________________________ 63
3.2.4 Les performances de l’ensemble de codes___________________________________________ 67
3.2.5 Analyse des codes _____________________________________________________________ 71
CHAPITRE 4. Architecture et codes proposés _________________________________85
4.1 L’architecture : version modifiée___________________________________________86
4.1.1 Syntonisation simultanée des réseaux de Bragg ______________________________________ 86
4.2 Les codes à une coïncidence : version modifiée________________________________89
4.2.1 Construction des codes linéaires à une coïncidence____________________________________ 90
4.3 Comparaison des performances_____________________________________________92
4.4 Augmentation des ensembles de codes _______________________________________98
CHAPITRE 5. Bruit de battement interférométrique dans les systèmes FFH-CDMA
optiques 101
5.1 La photodétection _______________________________________________________102
5.2 Calcul du signal électrique________________________________________________103
5.3 Calcul de l’intercorrélation _______________________________________________108
5.4 Calcul du SNR__________________________________________________________113
5.5 Réduction du bruit ______________________________________________________118
CONCLUSION___________________________________________________________120
ANNEXE A______________________________________________________________122
ANNEXE B______________________________________________________________124
ANNEXE C______________________________________________________________127
vi
BIBLIOGRAPHIE ________________________________________________________134
vii
LISTE DES FIGURES
Figure 1-1 Canaux de communication TDMA____________________________________________________ 6
Figure 1-2 Canaux de communication WDM ____________________________________________________ 7
Figure 1-3 Canaux de communication CDMA __________________________________________________ 10
Figure 1-4 Canaux de communication CDMA avec interférence ____________________________________ 11
Figure 1-5 DS-CDMA avec lignes à retard_____________________________________________________ 13
Figure 1-6 FE-CDMA avec filtres passe-bandes_________________________________________________ 15
Figure 1-7 FE-CDMA avec filtres coupe-bandes (Réseaux de Bragg)________________________________ 15
Figure 1-8 FE-CDMA avec filtres périodiques (Réseau de Bragg échantillonné) _______________________ 16
Figure 1-9 FH-CDMA avec filtres passe-bande et lignes à retard___________________________________ 18
Figure 1-10 FFH-CDMA optique ____________________________________________________________ 20
Figure 1-11 Codes à deux dimensions (Temps et Fréquence)_______________________________________ 21
Figure 2-1 Réseau de Bragg ________________________________________________________________ 26
Figure 2-2 Circulateur à trois ports __________________________________________________________ 27
Figure 2-3 Réflexion par un réseau de Bragg___________________________________________________ 28
Figure 2-4 Spectre d’un réseau uniforme avec lobes secondaires vs un réseau idéal sans lobe secondaire ___ 29
Figure 2-5 Encodeur - Chaîne de réseaux de Bragg______________________________________________ 31
Figure 2-6 Évolution du signal : Arrivée de l’impulsion___________________________________________ 32
Figure 2-7 Évolution du signal : Temps T _____________________________________________________ 33
c
Figure 2-8 Évolution du signal : Temps 2T ____________________________________________________ 34
c
Figure 2-9 Évolution du signal : Temps 3T ____________________________________________________ 35
c
Figure 2-10 Évolution du signal : Temps 4T ___________________________________________________ 35
c
Figure 2-11 Compression de 4 nm d’un réseau de Bragg__________________________________________ 41
Figure 2-12 Compression de la chaîne de réseaux de Bragg par la méthode des capillaires_______________ 41
Figure 2-13 Spectre optique de l’amplificateur à l’erbium_________________________________________ 44
Figure 2-14 Espacement des réseaux vs taux de transmission ______________________________________ 48
Figure 2-15 Encodeur FFH-CDMA __________________________________________________________ 50
Figure 2-16 Principe de l’encodage __________________________________________________________ 50
Figure 2-17 Architecture en étoile____________________________________________________________ 52
Figure 2-18 Décodeur FFH-CDMA __________________________________________________________ 53
Figure 2-19 Principe du décodage ___________________________________________________________ 53
Figure 3-1 Discrimination temporelle_________________________________________________________ 57
Figure 3-2 Codes à une coïncidence__________________________________________________________ 60
Figure 3-3 Seuil de détection________________________________________________________________ 69
Figure 3-4 Probabilité d’erreur versus longueur de codes_________________________________________ 70
Figure 3-5 Histogramme du pourcentage d’apparition versus le nombre de coïncidences entre deux codes avec q
= 23 et L = 12 pour un ensemble donné _______________________________________________________ 72
Figure 3-6 Histogramme du pourcentage d’apparition versus le nombre de coïncidence entre deux codes avec q
= 23 et L = 12 pour un ensemble donné _______________________________________________________ 73
Figure 3-7 Variance du nombre de coïncidence dans la fonction de corrélation-croisée__________________ 78
Figure 3-8 Moyenne du nombre de coïncidence dans la fonction de corrélation-croisée__________________ 79
Figure 3-9 Moyenne (a) et variance moyenne (b) de la fonction de corrélation-croisée __________________ 80
Figure 3-10 Variance moyenne de la fonction de corrélation-croisée pour différents q et L_______________ 81
Figure 3-11 Variance moyenne de la fonction de corrélation-croisée pour différents q et L_______________ 82
Figure 3-12 Valeur moyenne de la fonction de corrélation-croisée pour différents q et L ________________ 83
Figure 3-13 Valeur moyenne de la fonction de corrélation-croisée pour différents q et L ________________ 84
Figure 4-1 Schéma de syntonisation __________________________________________________________ 87
Figure 4-2 Étirement de la chaîne de réseaux de Bragg___________________________________________ 88
Figure 4-3 Probabilité d’erreur des codes cycliques et non-cycliques________________________________ 96
Figure 4-4 Construction de deux séquences de départ à partir d’une seule____________________________ 98
Figure 4-5 Architecture à deux encodeurs ____________________________________________________ 100
viii
Figure 5-1 Densité spectrale de puissance du bruit de battement Sp-Sp où a) est le bruit de battement Sp-Sp pour
un seul usager avec un code de longueur L=12, b) est le bruit de battement Sp-Sp pour un seul usager après
filtrage et c) est le bruit de battement Sp-Sp provenant d'un interférant______________________________ 112
Figure 5-2 Probabilité d’erreur versus le nombre d’usagers simultanés pour L=12, q=29 et B=500 MHz__ 117
e
Figure 5-3 Probabilité d’erreur versus le nombre d’usagers simultanés pour L=12, B=500 MHz et B =40 GHz
e o
______________________________________________________________________________________ 118
Figure 5-4 Réduction du bruit interférométrique _______________________________________________ 119