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Dans les labos d’Orange, il y a trente ans naissait la radio numérique DAB à l’origine de la technologie de connectivité 4G, WiFi et TNT

Niels Bohr, un des pères de la physique quantique, disait : "Prediction is difficult… especially of the future". L’histoire qui suit illustre bien ce commentaire plein humour ! La technologie inventée pour la radio numérique, contrairement à toutes les prévisions, s’est d’abord appliquée à la TNT, au WiFi, à la 4G, avant de trouver très tardivement sa place… dans la radio numérique.

L’article du Monde du 11 janvier annonçait l’arrêt de la radio FM en Norvège d’ici la fin 2017.

« D’ici à la fin de l’année, la radio norvégienne sera 100 % numérique. Un choix financièrement et technologiquement évident, qui ne plaît pas à tous les auditeurs. Mercredi 11 janvier, à 11 h 11 exactement, la Norvège a commencé à débrancher son réseau radiophonique FM. La ville de Bodø, dans le Nordland, a été la première à basculer complètement dans la radio uniquement numérique. Le gouvernement compte y faire passer tout le pays d’ici à la fin de l’année. »

A l’instar de la Norvège, quelques autre pays européens rentrent dans cette même démarche : le Royaume Uni sur la période 2017-2022, la Suisse entre 2020 et 2024, le Danemark et la Suède vers 2022.

Le développement de la FM a commencé après la seconde guerre mondiale, alors que la saturation des bandes de fréquence allouées à la modulation d’amplitude (AM) limitait l’essor de la radiodiffusion : les « fréquences AM » étaient largement utilisées par les forces d’occupation alliées pour le divertissement de leurs troupes et, en cette période de guerre froide, pour la propagande de part et d’autre du rideau de fer.

40 ans plus tard, en 1986, les acteurs de l’industrie européenne de la radio décidèrent de développer une technologie de diffusion entièrement numérique : le DAB – Digital Audio Broadcasting. Les arguments en faveur d’une technologie numérique étaient déjà en 1986 ceux que rappelle l’article du Monde : « meilleure qualité du son, plus de stations qu’en FM, synchronisation de la radio avec d’autres médias (textes, images), …, des coûts de diffusion moindre ».

Cette intention se concrétisa en 1987 par la création du projet Eureka 147 DAB, aux résultats particulièrement fructueux :

  • le projet aboutit d’une part à la genèse du standard de compression audio ISO MPEG1 Layer2, qui évoluera ensuite vers le standard ISO MPEG1 Layer3 (le fameux MP3 !) ;
  • et d’autre part au développement de la technologie de transmission OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), sur la base des propositions techniques issues des travaux de France Télécom et Télédiffusion de France (TDF).

Les premières publications scientifiques portant sur la technologie OFDM datent des années 1950, quelques articles reconnus traitant de modes de réalisation particuliers ont été publiés entre 1970 et 1980, mais l’OFDM restait peu connue jusqu’aux travaux de recherche réalisés à partir de 1986 par France Télécom et TDF dans leur centre de recherche commun, le CCETT : il manquait encore des ingrédients essentiels pour faire de l’OFDM un système performant, et l’implémentation en temps réel était jusqu’alors irréalisable car les composants nécessaires n’existaient pas.

Les chercheurs du CCETT avaient acquis la conviction que l’adoption de l’OFDM serait conditionnée à la preuve de fonctionnement en environnement réel. La construction du premier émetteur-récepteur OFDM pour la radio numérique débuta en juillet 1987 ; il s’agissait du premier prototype de la technologie qui sera retenue quelques années plus tard dans de nombreux standards.

L’évènement déclencheur de l’adoption de l’OFDM pour le DAB a certainement été la démonstration faite à l’occasion de la Conférence Mondiale des Radiocommunications de septembre 1988, à Genève. Avec le soutien de l’Union Européenne de Radiodiffusion, nous avions pris le pari dès l’automne 1987 d’y réaliser la démonstration d’un système complet de diffusion radio numérique : les délégués de la conférence étaient invités à participer à un tour dans un van circulant dans la ville de Genève, équipé de casques audio qui restituaient le signal transmis à partir d’un émetteur de TDF situé sur le Mont Salève. La transmission sans erreur du signal était particulièrement impressionnante ; le succès de la démonstration eut un fort impact auprès des administrations des pays représentés, et du monde industriel.

Cette démonstration emporta également la conviction des partenaires du projet DAB, qui adoptèrent définitivement la technologie ODFM en juillet 1990.

La publicité consécutive à la démonstration de Genève, suivie de nombreuses autres démonstrations (en Allemagne, en Angleterre, aux Etats-Unis, au Canada, … et en France), et le soutien de l’industrie européenne ont à leur tour servi de point de départ à deux autres évènements clés :

  • la mise en place en 1992 du groupe de normalisation DAB à l’ETSI (l’organisme de normalisation européen), dont la direction fut confiée au CCETT,
  • le lancement, en 1992 également, du projet dTTb (digital Terrestrial Television broadcasting), financé par la Commission Européenne et co-piloté par le CCETT et Philips.

L’année 1995 fut riche en évènements :

  • la première version du standard DAB fut publiée en février,
  • le projet DVB (Digital Video Broadcasting), représentant l’industrie européenne de la télévision numérique, adopta en novembre la solution OFDM issue du projet dTTb, après une période de compétition avec des solutions concurrentes. Le standard de la TNT venait de naître.

La popularité de la technologie OFDM était alors acquise, avec pour preuve le nombre d’articles publiés par année :

Alors que le monde du « broadcast » se lançait dans le déploiement des services de la TNT, la technologie restait encore relativement ignorée du secteur des télécommunications radio.

Le premier point d’entrée de l’OFDM dans ce secteur fut les réseaux locaux sans fil, popularisés aujourd’hui sous le nom du WiFi. L’ETSI lança au printemps 1997 le groupe de standardisation BRAN (Broadband Radio Access Networks), dans lequel la R&D d’Orange contribua notamment aux travaux sur l’interface radio de la version 2 du standard de réseau local sans fil, l’HiperLAN2 (High performance radio LAN), en y portant une nouvelle fois la technologie OFDM avec un paramétrage spécifique aux conditions de propagation sur de courtes distances.

L’IEEE, organisme de normalisation américain, menait à cette même époque des travaux sur un nouveau standard de réseau local sans fil appelé à fonctionner dans la bande des 5 GHz, le 802.11a. Les deux instances de normalisation ont joint leur efforts pour harmoniser les deux standards en adoptant la même couche physique OFDM, mais elles conservèrent chacune leur méthode de partage de d’accès à la ressource radio. Le succès commercial pencha en faveur de l’IEEE, qui déclina le standard 802.11a dans la bande traditionnelle de 2,4 GHz pour créer le 802.11g.

Le WiFi présent dans des centaines de millions de PC, Smart Phones, tablettes, comprend donc l’interface radio OFDM étudiées dès la fin des années 90 dans le groupe BRAN de l’ETSI.

Dans le même temps à la fin des années 90, l’OFDM faisait de timides premiers pas dans le monde des communications mobiles. Les acteurs du secteur travaillaient depuis quelques années sur le standard de la 3G en privilégiant la technologie d’étalement de spectre. Quelques compagnies proposèrent l’OFDM, mais l’essentiel des efforts de recherche ayant jusqu’alors porté sur l’étalement de spectre, l’organisme de normalisation des réseaux mobiles (le 3GPP) retint à la fin 1999 la technologie W-CDMA (Wideband Code Division Multiplex Access) pour la 3G.

Le standard 3G venait à peine de naître que la communauté scientifique et industrielle commençait à réfléchir à ses évolutions. Sous l’impulsion de quelques sociétés dont Orange, une étude (Study Item dans le vocabulaire du 3GPP) fut proposée en décembre 2001, visant à analyser les bénéfices de l’OFDM pour les réseaux mobiles. Cette première étape fut suivie à partir de juin 2003 d’une étude plus détaillée (Feasibility Study) sur l’amélioration de l’interface radio 3GPP par l’utilisation de l’OFDM.

En parallèle à ces activités au 3GPP, l’Europe investissait à partir de 2001 dans une série de projets collaboratifs (MATRICE, 4-MORE, WINNER), qui étudièrent les différentes variantes d’implémentation de l’OFDM pour les réseaux mobiles. De manière indépendante, le projet DVB avait lancé dès 1998 l’étude d’un canal remontant associé à la TNT, qui aboutit en 2001 au standard DVB-RCT (Return Channel Terrestrial). France Télécom contribuait également à cette étude et avait proposé la solution OFDMA (partage de l’accès s’appuyant sur un signal OFDM), qui a été retenue dans ce standard.

DVB-RCT ne fut jamais déployé mais sa préparation constitua, avec les projets MATRICE, 4-MORE et WINNER et l’activité OFDM au 3GPP, un des théâtres de recherche de la solution OFDMA qui fut finalement sélectionnée pour la voie descendante de la 4G, dans la « Release 8″ du standard 3GPP publiée en décembre 2008.

Cette longue histoire nous amène donc jusqu’à aujourd’hui, dans la période de développement des réseaux et services de la 4G, et au moment où commence à s’imaginer la 5G.

Pour en revenir à la radio numérique, il aura donc fallu 30 ans depuis les premiers travaux en 1986 pour voir le DAB prendre définitivement la place de la FM en Norvège, premier pays d’Europe à franchir le pas.

Qu’en est-il de la situation de la radio numérique en France ? L’article du Monde nous le rappelle :

« Vendue comme « la TNT de la radio » par Nicolas Sarkozy, elle avait été promise en 2008, puis en 2009. Elle a été déployée à Paris, Marseille et Nice en 2014, et Strasbourg, Lille et Lyon basculent actuellement. Le CSA vise une couverture de 20 % de la population d’ici à la fin de 2017, un seuil crucial, comme nous le soulignions il y a quelques mois (NDLR : dans l’article, qui souligne : « La radio numérique terrestre a des atouts certains qui plaident en sa faveur. Pourtant, la France se hâte lentement »).

Quoi qu’il en soit, comme nous l’enseigne la physique moderne dans un contexte certes différent, chaque histoire a son temps propre. Celui des moyens de diffusion de la radio et de la télévision dépend de beaucoup de paramètres qui n’ont rien à voir avec la technologie, c’est peut-être ce que les acteurs de cette histoire n’avaient pas complétement intégré quand ils se disaient, il y a 20 ans déjà, « mais comment se fait-il que la radio numérique ne soit pas encore là ».

Blog de la recherche

Cet article vient du Blog de la Recherche

Auteurs :

  • Bernard Le Floch

Domaines de recherche :

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Le MP3 sur Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/MPEG-1/2_Audio_Layer_III

« Le codage MPEG-1/2 Layer II est né avec le projet Digital Audio Broadcasting (radio numérique DAB) qui fut lancé par le Deutsche Luft und Raumfahrt. Ce projet a été financé par l’Union européenne, et faisait partie du programme de recherche EUREKA, plus connu sous le nom de EU-147.(…) Le format MP3 (Layer III ou couche III) a été créé par un groupe de travail réuni à la demande de Hans-Georg Mussman, et regroupant Leon Van de Kerkhof (Philips), Yves-Francois Dehery (TDFCCETT), Karlheinz Brandenburg (Fraunhofer-Gesellschaft). »

La génèse de la diffusion hertzienne numérique en Europe http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=5735314

Article IEEE publié à l’occasion de la conférence « 2010 Second Region 8 IEEE Conference on the History of Communications », Madrid, 3-5 novembre 2010. Cet article intitulé « The birth of Digital Terrestrial Broadcasting in Europe: a brief historyof the creation and the standardization phases of Digital Audio Broadcasting (DAB) and Digital Terrestrial TV broadcasting (DVB-T) » rappelle les principes techniques de l’OFDM et les évènements qui ont précédé la création des standards du DAB et de la TNT.

Principes techniques et histoire de la radio en modulation de fréquence, sur Wikipédia https://en.wikipedia.org/wiki/FM_broadcasting

Voir notamment la section « Adoption of FM broadcasting »

Article donnant une vision des principes de base de la technologie OFDM et ses améliorations possibles http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=387096

Cet article présente également les techniques de codage de canal ayant marqué un net progrès au début des années 1990, les turbocodes inventés par Claude Berrou et Alain Glavieux.

La norme DAB : « ETSI EN 300 401 : Radio Broadcasting Systems; Digital Audio Broadcasting (DAB) to mobile, portable and fixed receivers » http://www.etsi.org/deliver/etsi_en/300400_300499/300401/02.01.01_60/en_300401v020101p.pdf

Article présentant les avantages techniques apportés par l’OFDM aux réseaux locaux sans fil haut débit (WiFi), dans le cadre des études du système Hiperlan2 par le projet ETSI/BRAN http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/handle/2042/12992/ARTI1331.pdf?sequenc

Technological Revolutions and Financial Capital ; ouvrage de Carlota Perez qui démontre que le temps de cycle entre la découverte d’une technologie et l’acceptation par le marché à grande échelle est de 40 à 50 ans