Les transmissions sans fil sont omniprésentes dans notre quotidien, notamment avec les téléphones, le Wi-Fi, la télévision et le GPS. Le débit des transmissions augmente régulièrement grâce aux avancées technologiques et à l’utilisation de fréquences plus élevées. Jetons un œil à l’un des principaux facteurs qui limitent ce débit : le bruit.

En langage courant, le bruit est un ou plusieurs sons qui viennent perturber notre audition. L’idée est la même pour les transmissions. Pour comprendre l’origine du bruit, intéressons-nous à ce qui le compose, la température et le courant électrique.

La température est liée au mouvement des particules. Sans aucun mouvement, la température est minimale, avec −273,15 °C (0 kelvin) : il s’agit du zéro absolu. Nos températures habituelles impliquent donc de nombreux mouvements au niveau microscopique.

Quant au courant électrique, c’est un flux d’électrons qui circule dans un matériau conducteur. Ce flux d’électrons est habituellement issu d’un générateur (pile, batterie, alternateur, panneau solaire...) et est « organisé », c’est à dire qu’il est constant ou qu’il suit un motif précis (p. ex. sinusoïdal ou carré).

Maintenant, lions ces deux notions. Lorsqu’un matériau conducteur est à température ambiante, ses particules sont en mouvement et des électrons circulent à l’intérieur, créant alors un courant électrique. Le flux d’électrons n’est pas « organisé » : le signal électrique est aléatoire et ne contient pas d’information (voir 1ere image). C’est donc une nuisance, c’est pourquoi on l’appelle « bruit ». Ce bruit particulier est appelé bruit thermique.

Par conséquent, tout récepteur crée du bruit qui vient se superposer aux signaux utiles qu’il reçoit. Ce bruit est extrêmement faible, de l’ordre du femtowatt (millionième de milliardième de watt), mais comme les signaux reçus par transmission sans fil sont également très faibles, le bruit n’est absolument pas négligeable. Pour preuve, l'image représente en fait un signal GPS masqué par le bruit dont la puissance est cent fois supérieure. La conséquence directe est la possibilité d’erreurs lors de la transmission; il faut alors faire un compromis entre le débit désiré et l’erreur tolérée.

Toutefois, le bruit ne fait pas n'importe quoi non plus. Comme tout phénomène aléatoire, tel que le résultat d'un lancer de dé ou la taille d'un individu, il répond à certaines règles liées aux probabilités et statistiques. Par exemple, lorsqu’on observe l’histogramme de l'amplitude du signal (image du milieu), c'est-à-dire la répartition de l'amplitude, nous apercevons un motif bien connu : une Gaussienne. C’est grâce à ces règles que l’on sait caractériser le bruit et calculer sa puissance, afin de prédire les performances d’une transmission et d'estimer le débit atteignable.

 

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Aperçu d’un signal GPS couvert par du bruit à l'entrée d'un récepteur. En haut, l’évolution de l’amplitude du signal en fonction du temps, au milieu l’histogramme de l’amplitude du signal (c'est à dire sa répartition), en bas un exemple de signal GPS idéal sans bruit provenant d’un seul satellite. Remarque : Les amplitudes montrées ont été mises à l'échelle pour une meilleure lecture

 

Jérôme Leclère