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Simulation d’un émetteur / récepteur ADS-B et décodage temps réel à l’aide : de

Simulation d’un émetteur / récepteur ADS-B et décodage temps réel à l’aide : de MATLAB, d’une radio logicielle et d’une antenne patch Guillaume Ferré Romain Tajan Anthony Ghiotto Résumé Dans cet article, nous présentons une façon ludique d’enseigner les communications numé- riques et la conception d’antennes en école d’ingénieurs. Par l’intermédiaire de radio-logicielles, nous proposons aux étudiants du département Télécommunications de l’ENSEIRB-MATMECA d’appliquer leurs cours de communications numériques, traitement du signal, codage de canal, etc. sur des signaux réels. Concrètement, nous les guidons par l’intermédiaire d’un manuel de Travaux Pratiques (TP), à décoder les trajectoires des avions en démodulant des signaux Au- tomatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B). Outre le côté ludique de ce projet, traiter des signaux réels permet également de vériﬁer certaines hypothèses de modélisations comme le caractère blanc et gaussien du bruit ou encore la non-sélectivité en fréquence du canal perturbant les signaux ADS-B. Aﬁn d’améliorer les performances de détection des algorithmes développés par les étudiants du département Télécommunications, un groupe d’étudiants du département Électronique a en charge la modélisation et la conception d’une antenne patch ADS-B. 1 This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Article publié par EDP Sciences et disponible sur le site http://www.j3ea.org ou http://dx.doi.org/10.1051/j3ea/2016003 Acronymes Remarque : certains acronymes anglophones ne sont pas traduit car la traduction ne se prête pas forcément toujours. ADS-B Automatic Dependent Surveillance-Broadcast AWGN Additive White Gaussian Noise CEA Commissariat de l’Énergie Atomique CPR Compact Position Reporting CRC Code à Redondance Cyclique DF Downlink Format DSP Densité Spectrale de Puissance DVB-T Digital Video Broadcasting-Terrestrial EQM Erreur Quadratique Moyenne FBMC Filter Bank Multi Carrier FFT Fast Fourier Transform FR4 Flame Resistance 4 FTC Format Type Code GFDM Generalized Frequency Division Multiplexing GLONASS Global Navigation Satellite System GPS Global Positionning System ISNC Ingénierie des Systèmes Numériques de Communications LDPC Low Density Parity Check Codes MAC Media Access Control MIMO Multiple Input Multiple Output OACI Organisation de l’Aviation Civile Internationale OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PCB Printed circuit board PPM Pulse Position Modulation RF Radio Frequency RSB Rapport Signal sur Bruit SMA SubMiniature version A SRT Systèmes de Radio et Télécommunications TDS Traitement Du Signal TEB Taux d’Erreurs Binaire TIS-B Traﬃc Information Service–Broadcast TP Travaux Pratiques UAT Universal Access Transponder USRP Universal Software Radio Peripheral UTC Coordinated Universal Time WI-FI Wireless Fidelity 2 1 Introduction L’objectif du projet ADS-B proposer à l’ENSEIRB-MATMECA est d’aﬃcher en temps réel avec MATLAB (avec une latence égale à la durée du buﬀer d’acquisition) sur une carte (type Google Map) les trajectoires des avions survolant l’école et ses environs à l’instar des trackers 1 disponibles sur Internet. Pour cela, nous mettons à disposition des étudiants des radio-logicielles 2, une interface permettant de piloter les radio-logicielles depuis MATLAB et un document tech- nique présentant les couches physique et Media Access Control (MAC) du standard ADS-B. Ce projet est pluridisciplinaire : il fait intervenir des étudiants de 3ème année du département Électronique et des étudiants en 2ème année du département Télécommunications. En eﬀet, outre le décodage et l’interprétation du ﬂux binaire des signaux captés par les radio-logicielles, les étudiants doivent également concevoir une antenne adaptée à la réception des signaux ADS-B. L’originalité de ce projet repose donc sur la mise en pratique, sur des signaux réels des notions de traitement du signal, de communications numériques, d’électronique analogique et de conception d’antennes. L’évaluation du projet repose sur une compétition entre les binômes d’étudiants et sur une note de compte rendu. Ce document est organisé de la façon suivante : dans un premier temps nous présentons l’ENSEIRB-MATMECA et plus précisément les formations en communications numériques et électronique des départements Télécommunications et Électronique respectivement. Dans un deuxième temps nous détaillons l’organisation des diﬀérentes étapes de la partie du projet qui concerne le décodage du ﬂux binaire des signaux captés. Finalement, nous terminons par donner des détails quant à la conception de l’antenne ADS-B. 2 La formation en communications numériques et électro- nique analogique à l’ENSEIRB-MATMECA L’ENSEIRB-MATMECA propose une oﬀre de formation reposant sur cinq disciplines scienti- ﬁques : électronique, informatique, télécommunications, mathématique et mécanique. Ces disci- plines d’avenir, couvrant le domaine du numérique au sens large, oﬀrent aux ingénieurs diplômés de l’école d’excellentes conditions d’insertion professionnelle et des perspectives de carrières riches et variées. Elle est la première école d’ingénieur d’Aquitaine avec plus de 1200 élèves-ingénieurs et son niveau d’excellence est reconnu dans divers classements (l’Étudiant, Usine nouvelle). Dotée d’équipements et logiciels de pointe, et d’un bâtiment de plus de 20 000 m2 au service de la pédagogie et du transfert de technologie, elle propose une formation axée sur des projets innovants et s’appuie sur la performance de ses laboratoires de recherche, reconnus au niveau national et international. Toujours au plus proche des entreprises, l’école a su nouer des liens très forts avec des grands groupes, comme Airbus Defence & Space, Zodiac Data Systems, PSA-Citroën, Safran, le Com- missariat de l’Énergie Atomique (CEA), les grandes entreprise de services du numérique (Atos, Bull), Thales, mais aussi avec tout un réseau de PME et startups locales innovantes. L’école accueille aujourd’hui dans ses locaux plusieurs entreprises et un FabLab. 1. www.ﬂightradar24.com, https ://fr.ﬂightaware.com 2. Dans notre cas nous utilisons des Universal Software Radio Peripheral (USRP). Cependant des solutions bien plus faibles coûts peuvent être mises en œuvre par l’intermédiaire de dongle USB RTL-SDR http ://www.rtl- sdr.com 3 2.1 Les communications numériques au département Télécommunica- tions Les enseignements dispensés au sein du département Télécommunications s’articulent au- tour de 4 axes : l’informatique, les réseaux, Traitement Du Signal (TDS) et les communications numériques. Les 3 premiers semestres de la formation servent à transmettre aux étudiants les connaissances de bases en informatique, réseau, TDS et communications numériques. C’est à partir du 4ème semestre que les étudiants se spécialisent. Cette spécialisation se fait au travers d’une unité d’enseignement et d’un projet de semestre dédiés sur l’un des 4 axes. Pour ce qui est des communications numériques, les étudiants ayant choisis de se spécialiser dans cette théma- tique poursuivent généralement leur cursus scolaire dans l’option de troisième année Ingénierie des Systèmes Numériques de Communications (ISNC). Comme toutes les options de dernière année à l’ENSEIRB-MATMECA, l’année se décompose en 2 parties, la première à l’école et la seconde en entreprise ou en laboratoire pour une stage de 5 à 6 mois. La liste non exhaustive des notions diﬀusées aux étudiants en communications numériques est : — communications numériques de base (critère de Nyquist, récepteur optimal, performances sur canal Additive White Gaussian Noise (AWGN) et à bande limitée, etc.), — modélisation des canaux sans-ﬁl mobiles, — codage de canal (code en bloc, turbocodes, Low Density Parity Check Codes (LDPC)), — égalisation de canal, — techniques multi-porteuses (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), Fil- ter Bank Multi Carrier (FBMC), Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM), etc.), et à étalement de spectre, — techniques de synchronisations temps/fréquences mono et multi-porteuses, — dirty Radio Frequency (RF), — systèmes Multiple Input Multiple Output (MIMO), traitements d’antennes et codage spatio-temporel, — principe des systèmes 2G à 4G, Wireless Fidelity (WI-FI), Digital Video Broadcasting- Terrestrial (DVB-T), ADS-B, etc. Le sujet de TP présenté dans ce papier nécessite des pré-requis sur les communications nu- mériques, le traitement statistique du signal, l’échantillonnage et la programmation utilisant MATLAB. Le cours sur les techniques de synchronisations temps/fréquences n’arrivant que plus tard dans la formation, les étudiants sont guidés sur ces points. 2.2 L’électronique analogique au département Électronique Une part signiﬁcative de la formation du département Électronique est consacrée à la mise en pratique des notions fondamentales d’électronique analogique comme l’illustre le projet de conception d’antenne décrit dans cet article. Ce département oﬀre un cursus personnalisé à travers diﬀérents parcours dès la deuxième année, avec notamment l’unité d’enseignement optionnelle en électronique analogique radio-fréquence et un projet transversal choisi par les étudiants parmi une très large variété de sujets proposés par les enseignants du département. La deuxième année se conclut par la réalisation d’un stage applicatif de 3 à 4 mois en laboratoire ou en entreprise. En troisième année, les étudiants se spécialisent par le choix d’une option parmi les cinq options oﬀertes, incluant l’option d’électronique analogique : Systèmes de Radio et Télécommunications (SRT). Le premier semestre de cette dernière année comprend des enseignements spéciﬁques à l’option avec l’intervention de nombreux spécialistes issus du domaine industriel et la réalisation de projets. Le second semestre permet aux étudiants d’eﬀectuer un stage de 5 à 6 mois. L’option SRT comprend un module d’enseignement intitulé "Circuits RF et Millimétriques" qui inclue le 4 cours d’introduction aux antennes durant lequel les étudiants conçoivent une antenne ADS-B. 3 ADS-B : Introduction et fonctionnement Aﬁn de surveiller l’état du réseau aérien (c’est à dire la localisation des avions, le respect de leur plan de vol, etc.), un système de diﬀusion appelé ADS-B a été proposé en complément des RADARs classiques. Dans ce système, les appareils estiment leur position (longitude, latitude, al- titude) grâce aux techniques de positionnement uploads/Management/ simulation-d-x27-un-emetteur-recepteur-ads-b-et-decodage-temps-reel-a-l-x27-aide-de-matlab-d-x27-une-radio-logicielle-et-d-x27-une-antenne-patch.pdf