Largeur de Bande et Transmission Radio

Analyse des principes fondamentaux de la bande passante dans les communications sans fil

Définition et concept fondamental

La largeur de bande (ou bande passante) représente l’étendue du spectre de fréquences qu’occupe un signal radio. Elle se mesure en Hertz (Hz) et correspond à la différence entre la fréquence maximale et la fréquence minimale utilisées pour transmettre l’information.

BW = fmax – fmin
Fréquence (Hz) Amplitude Signal bande étroite BW ≈ 10 kHz BW Signal bande large BW ≈ 100 MHz BW f₁ f₂ f₁ f₂

Représentation spectrale : signal à bande étroite vs signal à bande large

Relation avec le débit binaire : Le théorème de Shannon-Hartley établit que la capacité maximale d’un canal est directement proportionnelle à sa largeur de bande. Plus la bande passante est large, plus le débit de données potentiel est élevé.

Répartition du spectre électromagnétique

Le spectre des radiofréquences est divisé en bandes distinctes, chacune ayant des caractéristiques de propagation et des applications spécifiques. La largeur de bande disponible et utilisable varie selon la gamme de fréquences.

3 kHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz VLF/LF/MF HF VHF UHF SHF Radio AM BW: 10 kHz • Navigation • Radiodiffusion Radio HF BW: variable • Radio amateur • Aviation FM/TV BW: 200 kHz • Radio FM • TV analogique Mobile/WiFi BW: 5-100 MHz • GSM/4G/5G • WiFi (2.4 GHz) Micro-ondes BW: 100+ MHz • WiFi 5 GHz • Satellites

Distribution des applications radio selon les bandes de fréquences

Modulation et occupation spectrale

La technique de modulation employée influence directement la largeur de bande nécessaire. Les modulations numériques modernes (QAM, OFDM) permettent une utilisation plus efficace du spectre que les modulations analogiques traditionnelles (AM, FM).

Comparaison des techniques de modulation

Modulation d’Amplitude (AM) Porteuse AM BW ≈ 2 × fmod Modulation de Fréquence (FM) FM BW ≈ 2(Δf + fmod) Règle de Carson Modulation Numérique (PSK/QAM) 8-PSK Efficacité spectrale élevée Efficacité spectrale AM ~1 bit/s/Hz FM Variable 64-QAM ~6 bits/s/Hz Caractéristiques techniques Bande passante nécessaire : • AM : Étroite (10-30 kHz) • FM : Large (150-200 kHz) • Numérique : Optimisable Qualité du signal : • AM : Sensible au bruit • FM : Meilleure résistance • Numérique : Correction d’erreurs Applications principales : • AM : Radio ondes moyennes • FM : Radio broadcast, audio
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) : Utilisé dans le WiFi, la 4G/5G et la TNT, l’OFDM divise le canal en nombreuses sous-porteuses orthogonales, permettant une résistance accrue aux interférences et une utilisation optimale du spectre disponible.

Relation entre largeur de bande et débit

Le théorème de Shannon-Hartley établit la capacité théorique maximale d’un canal de communication en fonction de sa largeur de bande et du rapport signal sur bruit (SNR).

C = BW × log₂(1 + SNR)

où C est la capacité en bits/s, BW la largeur de bande en Hz, et SNR le rapport signal/bruit

Exemples de débits selon la technologie

Technologie Fréquence Largeur de bande Débit théorique Modulation
GSM (2G) 900/1800 MHz 200 kHz 9,6 – 14,4 kbit/s GMSK
UMTS (3G) 2100 MHz 5 MHz 384 kbit/s – 2 Mbit/s QPSK/16-QAM
LTE (4G) 800-2600 MHz 1,4 – 20 MHz 100 – 300 Mbit/s 64-QAM, OFDMA
5G NR 3,5 GHz / 26 GHz 100 – 400 MHz 1 – 10 Gbit/s 256-QAM, OFDMA
WiFi 4 (802.11n) 2,4 / 5 GHz 20 – 40 MHz 150 – 600 Mbit/s 64-QAM, OFDM
WiFi 6 (802.11ax) 2,4 / 5 GHz 20 – 160 MHz 600 Mbit/s – 9,6 Gbit/s 1024-QAM, OFDMA

Enjeux et limitations du spectre radio

Le spectre électromagnétique est une ressource limitée qui doit être gérée de manière optimale. La demande croissante en bande passante pour les applications mobiles et IoT impose des défis techniques et réglementaires.

Techniques d’optimisation spectrale

FDMA

Multiplexage fréquentiel

Utilisé en radio FM et TV analogique

TDMA

Multiplexage temporel

Utilisé en GSM

OFDMA

Accès multiple orthogonal

Utilisé en 4G, 5G, WiFi 6

Saturation du spectre : Les bandes de fréquences traditionnelles (sous 6 GHz) sont fortement congestionnées. La 5G exploite les ondes millimétriques (24-100 GHz) qui offrent des largeurs de bande importantes (plusieurs GHz) mais avec des portées réduites et une sensibilité accrue aux obstacles.

Compromis fréquence vs portée

Basses fréquences (< 1 GHz)

✓ Longue portée (km)

✓ Bonne pénétration

✗ Bande passante limitée

✗ Spectre saturé

Fréquences moyennes (1-6 GHz)

✓ Bon compromis portée/débit

✓ Pénétration correcte

~ Bande passante modérée

~ Congestion croissante

Hautes fréquences (> 24 GHz)

✓ Très large bande passante

✓ Spectre disponible

✗ Portée limitée (m)

✗ Faible pénétration

Conclusion

La largeur de bande constitue un paramètre fondamental des systèmes de communication radio, directement lié à la capacité de transmission des données. Les évolutions technologiques (modulations avancées, MIMO, beamforming, OFDMA) permettent d’optimiser l’utilisation du spectre, mais la demande croissante impose l’exploration de nouvelles bandes de fréquences et de techniques d’accès innovantes.

Les futures générations de réseaux sans fil devront composer avec la rareté du spectre en combinant efficacité spectrale accrue, agrégation de porteuses, et déploiement de cellules de petite taille (small cells) pour répondre aux besoins exponentiels en débit des applications multimédias et de l’Internet des Objets.

Perspectives : Les technologies émergentes comme le Full-Duplex (transmission et réception simultanées sur la même fréquence), le Cognitive Radio (adaptation intelligente aux conditions spectrales), et l’utilisation du spectre térahertz (0,1-10 THz) ouvrent de nouvelles possibilités pour étendre les capacités des communications sans fil.

Radio Amateur et largeur de bande

Les radioamateurs disposent de nombreuses bandes de fréquences allouées à travers le spectre radio, de 1,8 MHz à 250 GHz. Chaque bande présente des caractéristiques de propagation différentes et impose des contraintes spécifiques en termes de largeur de bande selon les modes de transmission autorisés.

Bandes de fréquences principales

Bandes radioamateur et propagation 160m 1,8-2 MHz Propagation nocturne 80m 3,5-3,8 MHz Portée continentale 40m 7-7,2 MHz Jour et nuit 20m 14-14,35 MHz Longue distance DX 2m VHF 144-146 MHz Portée locale/relais 70cm UHF 430-440 MHz Locale/satellites Modes de transmission et occupation spectrale CW (Morse) BW: ~150 Hz • Très étroite SSB (Phonie) BW: ~2,7 kHz • Bande vocale FM BW: ~12-16 kHz • VHF/UHF Modes numériques BW: 31 Hz – 2,4 kHz • FT8, RTTY, PSK31 Image/Vidéo BW: 2,7 kHz – 6 MHz • SSTV, ATV, DATV Occupation spectrale relative: CW SSB FM ATV analogique 0 Hz 3 MHz 6 MHz

Bandes principales et modes radioamateurs avec leurs largeurs de bande caractéristiques

Modes numériques modernes

Les radioamateurs ont développé et adopté de nombreux modes numériques optimisés pour différentes conditions de propagation. Ces modes utilisent des techniques avancées de traitement du signal pour maximiser l’efficacité spectrale.

Mode Largeur de bande Débit Application
FT8 50 Hz ~6 bits/s Contacts rapides, signaux faibles
PSK31 31 Hz 31 bits/s Conversations clavier
RTTY 170-500 Hz 45-75 bauds Télétype, contests
WSPR 6 Hz ~1,5 bits/s Balises, propagation
SSTV ~2,7 kHz Variable Transmission d’images
DATV 2-6 MHz 1-10 Mbit/s Télévision numérique

Réglementation et plans de bande

L’utilisation de la largeur de bande en radio amateur est strictement réglementée par l’ARCEP en France et l’UIT au niveau international. Les radioamateurs doivent respecter des limitations de puissance et de largeur de bande selon les bandes et les classes de licence.

Bandes HF

Restrictions:

• Largeur max par émission

• Segments réservés (CW, données)

• Plans de bande IARU

Bandes VHF/UHF

Caractéristiques:

• FM voie étroite: 12,5 kHz

• Répéteurs avec offset

• Modes large bande autorisés

Bandes SHF

Applications:

• Large bande passante disponible

• Expérimentations micro-ondes

• Liaisons EME (Terre-Lune)

Efficacité spectrale : Les radioamateurs sont à l’avant-garde de l’optimisation spectrale avec des modes comme FT8 qui permettent des contacts intercontinentaux avec seulement 50 Hz de largeur de bande et une puissance de quelques watts. Cette efficacité remarquable est obtenue grâce à des techniques de codage avancées et de traitement du signal numérique.

Expérimentations et innovation

La radio amateur joue un rôle crucial dans l’innovation des techniques de communication. Les radioamateurs ont été pionniers dans de nombreux domaines :

  • Modes à spectre étalé : Expérimentations avec des techniques initialement militaires
  • Communications satellitaires : Développement de modes adaptés aux satellites amateurs
  • MIMO amateur : Tests de systèmes multi-antennes sur HF
  • SDR (Software Defined Radio) : Démocratisation des radio logicielles
  • Modes QRP : Optimisation extrême pour très faible puissance (< 5W)

Document technique sur la largeur de bande des ondes radio

Les spécifications peuvent varier selon les normes et les régions