Les signaux. Page 1/11

Transcription

1 Les signaux numériques e analogiques... 2 Les ypes de signaux... 2 les signaux à variaion coninue ou signaux analogiques... 2 les signaux à variaion disconinue... 2 Représenaion des signaux... 3 en foncion du emps en foncion de la fréquence... 3 Signal e suppor... 4 Déformaions du signal... 4 Avanages e inconvéniens de la numérisaion du réseau... 5 Les signaux vocaux... 6 Les fondamenaux de la voix... 6 Fréquences... 6 Niveaux... 6 La numérisaion de la voix : codage MIC G échanillonnage... 6 Quanificaion... 7 Codificaion... 7 Codage du signal numérisé... 8 Le muliplexage : avis G Normes Européenne e américaine Hiérarchie synchrone Page 1/11

2 Les signaux numériques e analogiques Les signaux désignen d'une manière générale les informaions ou données circulan sur une liaison informaique. Ils peuven empruner différens suppors physiques (ou médias) e revêir différenes formes. Les ypes de signaux Il exise 2 grandes familles de signaux : les signaux à variaion coninue ou signaux analogiques. On disingue: les signaux périodiques (sinusoïdaux) qui se reproduisen régulièremen de manière idenique e qui possèden rois aribus fondamenaux: 1. la fréquence (F) en herz (nombre de répéiion du signal par seconde) la longueur d onde (λ) es la disance parcourue duran une période: λ = V*T (viesse x période) λ = V/F (viesse / fréquence) 2. l ampliude (A) en vol sur une ligne élecrique, en décibel (db) de manière générale. 3. la phase (posiion du signal à un insan donné, par rappor à une origine de référence). Ampliude emps disance Longueur d onde La longueur d onde es foncion de la viesse à laquelle se propage le signal les signaux apériodiques. C'es le cas des signaux vocaux sur une liaison éléphonique ou des images vidéo Viesse du son = 338 m/sec Viesse lumière = m/sec les signaux à variaion disconinue Ce son les signaux digiaux ou numériques, qui son de ypes périodique: ils ne possèden qu un nombre fini d éa (par exemple 0 e 1), à chaque passage d un éa à l aure, il y a un cours momen pendan lequel la valeur du signal n es pas significaive, l inervalle de emps occupé par un bi s appelle le emps de bi, la valeur du signal es mesurée au milieu du emps de bi, c es le momen d échanillonnage. Page 2/11

3 Représenaion des signaux en foncion du emps. Cela donne la forme d onde qui décri la variaion d ampliude dans le emps. Comme on l'a vu précédemmen, la forme d'onde peu êre analogique - périodique (noe pure) ou apériodique (claquemen de pore) ou encore numérique. Ampliude Temps Noe pure Claquemen de pore en foncion de la fréquence Cela donne la largeur de bande (ou specre de fréquences): c es la plage de fréquence occupé par le signal: Exemple: Signal audio de 20 à Hz Un signal sinusoïdal pur à une largeur de bande nulle puisqu il n a qu une seule fréquence. Un signal non périodique possède un specre occupan une gamme coninue de fréquences. Un signal numérique de période T peu êre décomposé en un ensemble de signaux sinusoïdaux de fréquences, de phases e d ampliudes différenes. L ensemble des fréquences qui perme de reconsiuer le signal son des muliples de la fréquence de base F=1/T. Les signaux numériques occupen donc un specre éendu. Plus la largeur de bande es élevée, plus la quanié d'informaions pouvan y passer es grande. Ampliude Largeur de bande (BW) un canal vocal 300 F basse Fréquence 3400 (HZ) F haue Exemple de largeur de bande Page 3/11

4 Signal Specre F0 T0 = 1/F0 T0 f= 1/T0 Signal e suppor Déformaions du signal Exemples de signaux avec leurs specres Le suppor de ransmission possède égalemen une largeur de bande, appelée bande passane, qui es la plage de fréquences qu'il es capable de ransmere. Exemple Pour le réseau éléphonique: la bande passane es de 3100 hz (enre 300 e 3400 hz). Dans ce cas la bande passane n es pas due aux limies du suppor mais à un chois des organismes de normalisaion de limier la bande passane de la éléphonie. Plus la bande passane es élevée, plus la richesse de la donnée que l'on peu ransmere es grande mais on se heure bien souven à problème de coû, d'où nécessié de rouver un compromis coû-qualié. La bande passane es foncion de la naure de ce suppor (lumière, cuivre). Ce suppor possède des caracérisiques: élecriques ( résisance e capacié): Elles provoquen une aénuaion (ou affaiblissemen) e une déformaion (disorsion) des signaux. Ce affaiblissemen augmene avec la longueur e es plus imporan dans le cas de fils fins. un emps de propagaion du signal à ravers ce suppor, un niveau de signal maximum: C es la puissance élecrique que le canal peu ransporer sans risque pour les équipemens connecés e sans générer de perurbaion sur les canaux voisins. une sensibilié aux influences exérieures (champs radioélecriques ou élecromagnéiques) qui affecen le signal: Le brui es l'ensemble des perurbaions qui affecen la voie de ransmission. Il possède une valeur moyenne qui s exprime en décibels (db) selon le rappor signal/brui (S/B). Page 4/11

5 Ampliude Peres Temps Effe de l'aénuaion sur un signal périodique Deux signaux de même ampliude e de fréquence différene n'auron pas obligaoiremen la même ampliude à l'exrémié de la liaison: L'ampliude du signal ransmis varie en foncion de la fréquence (plus la fréquence es grande, plus le signal se déforme). Il fau régénérer les signaux régulièremen pour leur garder une ampliude suffisane: Un signal numérique bien régénéré sera praiquemen idenique au signal iniial. Un signal analogique sera régénéré avec les défaus inroduis par le suppor e le brui. Signal iniial Signal iniial Signal iniial Signal aénué Aénuaion Signal modifié Effes d'une capacié Effes combinés Déformaion d'un signal numérique La ransmission numérique appore donc une meilleure inégrié des données mais nécessie une bande passane plus grande. Avanages e inconvéniens de la numérisaion du réseau Avanages Uilisaion de composans élecroniques plus simples, plus économiques e plus inégrés par rappor aux composans analogiques uilisés précédemmen. Muliplexage emporel plus simple e plus fiable que le muliplexage fréqueniel uilisé sur les lignes analogiques à grandes disances. Meilleure adapaion aux différenes informaions à véhiculer (Sons, images, données). Signalisaion plus facile à véhiculer par incorporaion dans les données. Régénéraion plus simple des signaux e sans appor de souffle ou de bruis supplémenaires (le aux d erreur es neemen plus faible qu en analogique). Signaux plus facile à manipuler Inconvéniens Bande passane des suppors plus imporane (d où l usage de la fibre opique). Page 5/11

6 Les signaux vocaux Les fondamenaux de la voix Fréquences La voix résule d un vibraion des cordes vocales, inerrompan le flux d air provenan des poumons, produisan ainsi des signaux dans une gamme de fréquences allan de 50 à 5000 Hz. Cee gamme de fréquence varie de manière sensible d une personne à l aure. La majorié de l énergie se concenre enre 300 e 3000 Hz. L oreille humaine peu déecer des sons dans une bande de fréquence allan de 20 Hz à près de Hz, avec une sensibilié maximale dans la bande 300 Hz Hz. En prenan en compe ces différens faceurs, e à la suie de nombreux ess, la bande de fréquence 300 Hz 3400 Hz a éé choisie par l UIT-T comme base pour la ransmission éléphonique. Réduire cee bande de fréquence amène une pere d inelligibilié des messages, alors que l augmenaion de cee bande appore ceres une qualié supérieure, mais sans apporer une qualié de reconnaissance ou d inelligibilié significaive. Il fau rappeler que le bu d un réseau éléphonique es de ransmere la parole e non pas le chan, ni la musique. Des filres dis «passe-bas» on pour rôle de filrer les fréquences du signal éléphonique e de ne laisser passer que cee plage de fréquence. Niveaux Il es imporan de s assurer que les signaux de voix son ransmis à des niveaux correcs à ravers le réseau, afin de mainenir une qualié de bou en bou. Un niveau rop faible fai que le signal es noyé dans le brui de fond; un niveau de signal rop élevé amène la personne à parler plus faiblemen. Aujourd hui, les communicaions inernaionales son monnaie courane. Les gens doiven pouvoir communiquer avec leur voisin de palier, comme avec n impore qui dans le monde. Ce bu es compliqué par le fai que les sysèmes de éléphonie on évolué de manière différene dans plusieurs pays ou régions. Par exemple, un éléphone analogique aux USA éme avec un niveau de signal plus faible que le même éléphone en Angleerre. Les niveaux des signaux s exprimen en décibels (db) La numérisaion de la voix : codage MIC G.711 La méhode uilisée pour la représenaion numérique des signaux de voix dans les sysèmes de éléphonie a éé définie par l ITU-T dans la recommandaion G.711 appelée : PCM ( Pulse Code Modulaion ) ou MIC (modulaion par impulsions codées). La numérisaion de la voix se fai en 3 éapes : - échanillonage - quanificaion - codificaion (ou codage) échanillonnage On prélève le signal analogique à inervalle régulier. La norme fixe l'échanillonnage à 8 KHz. Cela correspond à une prise d'échanillon oues les 1/8000s (ou 8 échanillons par milliseconde soi 1mesure chaque 125 microseconde). Page 6/11

7 Cee fréquence es dérivée du héorème de Nyquis, qui di que la fréquence d échanillonnage doi au moins êre égale au double de la fréquence maximale du signal d origine. Un échanillonnage à 8 KHz perme donc la ransmission d'un signal de fréquence maximum 4KHz. Le signal vocal analogique Hz passera donc bien. Le signal échanillonné n es qu une suie d impulsions ( PAM : Pulse Ampliude Modulaion ) qui représene l ampliude du signal analogique lors de chaque échanillonnage. Par comparaison le son d'un CD, beaucoup plus musical, es échanillonné sur la plage de 0 à Hz, avec une fréquence d'échanillonnage de 44 KHz. Quanificaion Chaque échanillon es comparé à cerains niveaux de quanificaion à l aide d un converisseur analogique/digial (CAD), chacun éan représené par une suie numérique unique. La suie numérique la plus proche du signal échanillonné es alors uilisée pour représener le signal ( opéraion de quanificaion) Le nombre de pas déermine par la suie le nombre de bis représenan l échanillon. Hz Signal Echanillonneur Signal échanillonné Aénuaion 125 µs enre 2 échanillons Filrage e Echanillonnage. Pour reproduire fidèlemen la valeur analogique, il faudrai un ensemble de valeurs rès imporan (ou un pas rès faible). En ransmission éléphonique, le nombre de niveaux choisi es 256, ce qui correspond à un codage sur un oce. Aux USA, le codage se fai sur 7 bis. L'approximaion de la valeur analogique par une valeur numérique provoque donc une disorsion du son, die brui de quanificaion. Chaque échanillon mesuré es donc converi en une valeur sur 8 bis. Le débi de la ligne de ransmission pour une communicaion es donc : 8 bis à ransmere chaque 125 microseconde ou 8 bis 8000 fois par seconde, ce qui donne un débi de 8*8000=64000 bis/s Aux USA où le signal es échanillonné sur 7 bis le débi es de 56 Kbps Par abus de langage, on parle de bande passane de 8KHz. La bande passane ne peu êre définie que pour un signal analogique. Pour un signal numérique, l'on devrai parler de débi binaire équivalen à la ransmission du même signal en analogique. La quanificaion se radui donc par une approximaion du signal réel. Codificaion Le nombre de bis requis pour un échanillon es lié à la valence (ou dynamique) selon la formule: n=log 2 D (log en base 2) D éan le nombre d éas différens à raduire. Pour la parole la dynamique va de 1 à 4000, ce qui impose une quanificaion sur 12 bis. Une opéraion de codage rédui par compression ce nombre à 8 bis, don un bi de signe. Page 7/11

8 L erreur relaive générée sera d auan plus imporane que le signal es faible. Pour info, l'erreur relaive de quanificaion vau en moyenne : (1/2 * ampliude_maxi / 256) / valeur_du_signal. Pour une ampliude fore, cee erreur es relaivemen négligeable, mais pour un signal d ampliude faible l'erreur relaive devien rès grande. Le remède au problème de la rop grande sensibilié aux basses ampliudes consise à uiliser une loi de quanificaion logarihmique. L'effe obenu es alors équivalen à une compression. La règle de compression s appelle la Loi A en Europe, la loi µ pour les USA e le Japon. Toues ces opéraions de numérisaion de la voix se fon dans un composan élecronique appelé CODEC. A la Récepion d un signal numérisé, l opéraion inverse se produi : - Décodage : Cee opéraion es effecuée par un converisseur digial/analogique (CDA). - Exension : C es l opéraion inverse de la compression. - Filrage e Correcion : Le signal résulan es filré pour éliminer les composanes résiduelles évenuelles. Codage du signal numérisé Le signal numérisé es muliplexé e ransmis sur les lignes éléphoniques suivan une echnique de codage ayan comme objecif d améliorer la qualié de la ransmission. Les sysèmes européens uilisen sur les liaisons MIC un codage pseudo-ernaire appelé mode à haue densié HDB3 qui a pour bu d évier les zeros successifs Données a - a Codage BHD1 Viol de l'alernance + a - a Codage BHD2 Viol de l'alernance Le code CMI Pour les ransmissions aux débis les plus élevés, noammen sur les fibres opiques, on envisage un code appelé CMI (Code Mancheser Inversion) du ype 1B2B, c'es à dire avec deux momens binaires par bis. Le mode CMI a l'avanage d'êre binaire (un seul seuil de décision) e d'annuler les composanes à rès basses fréquences, au prix cependan d'une largeur de bande supérieur à celle du code AMI. Son efficacié es de 50 %. Page 8/11

9 Le muliplexage : avis G.732 La numérisaion de la voix a comme avanage que l on peu grouper sur une seule ligne éléphonique plusieurs signaux. La echnique qui perme cee opéraion s appelle le muliplexage emporel. L'opéraion inverse du muliplexage s'appelle le démuliplexage. Voie Voie Voie Voie Codage Codage Muliplexeur nvoies Muliplexage. Le muliplexage emporel consise à affecer cycliquemen un inervalle de emps (appelé voie ou IT) à chacune des communicaions à ransmere. Si on a N signaux à ransmere avec chacun un débi de X kbps, il fau que le suppor aie une capacié supérieure à N fois X kbps. La séquence correspondan à un balayage de ous les canaux muliplexés s'appelle une rame. La srucure de la rame es fixe e cyclique. Le sysème MIC européen es caracérisé par une rame à 32 IT. Chaque IT a, comme on l a vu, un débi de 64kbis/s, ce qui donne un débi global de 2,048 Mbi/s pour la rame complèe. La rame complèe dure 125 ms (ce qui correspond à la fréquence d échanillonnage des signaux), chaque IP dure donc 3,9 nanosecondes. Les inervalles son numéroés de 0 à 31. les inervalles 1 à 15 e 17 à 31 son aribués à 30 voies éléphoniques à 64 Kbi/s. L'inervalle de emps 0 (IT0)es consacré glodalemen à la synchronisaion du sysème e à la gesions d alarmes. L IT16 es chargé de ransporer la signalisaion c es à dire les données de gesion des communicaions (numéroaion, axaion,...). 1 IT16 assure la signalisaion de 2 IT de communicaion (2 fois 4 bis). La gesion complèe des communicaions se fai donc oues les 15 rames. Compléée par une 16 ème rame, on consiue une mulirame. Ce dernier IT16 conien le moif de verrouillage de mulirame qui perme de numéroer de manière univoque les rames à l'inérieur de la mulirame. Page 9/11

10 488ns 3,9 µ s 8 bis IT0 IT2 IT15 IT29 IT31 MVTR Mo de verrouillage rame MVMTR Mo de verrouillage mulirame Consiuion d'une rame MIC Une rame MIC de 256 bis. Durée 125 I.T Canal pour alarme e syncho I.T. 1 voie 1 I.T. 2 voie bis par échanillon Canaux de 1 à 15 I.T. 15 Voie I.T I.T. 17 voie I.T. 31 voie Canal de signalisaion Canaux de 16 à 30 Normes Européenne e américaine Forma d'une rame MIC. Le premier «rain numérique» normalisé fu développé en Amérique du Nord en 1962, e pri le nom «D1». Il fournissai 24 enrées analogiques, chacune d enre elles éan converie en un signal PCM 8 bis ( le bi le moins significaif éan ignoré ). Les 7 bis éaien uilisés pour chaque échanillon de voix, e un bi pour la signalisaion, pour un débi global de 1,544 Mbps. Il fu ensuie remarqué que ce mode fournissai une qualié de voix non saisfaisane. Les généraions suivanes uilisen une conversion PCM 8 bis. Descripion Sysème Européen G732 Sysème Américain G733 Fréquence d'échanillonnage 8 KHz 8 KHz Nombre de niveau Nombre de bi/échanillon 8 7 Débi binaire par voie 64 Kbi/s 64 Kbi/s Quanificaion non uniforme non uniforme Loi de codage loi A loi m Carac. de compression à 13 segmens à 15 segmens Nombre d'it Nombre de voie Page 10/11

11 Nombre de bis/rame Débi binaire oal 2,048 Mbi/s 1,544 Mbi/s Verrouillage groupé répari Signalisaion hors oce dans l'oce Hiérarchie synchrone Comparaif G732/G733 Grâce aux suppors performans (fibres opiques) e pour diminuer les coûs de ransmission, le muliplexage obenu sur une liaison MIC peu êre poursuivi sur des liaisons à haus débis consiuan une hiérarchie synchrone normalisée au niveau européen. Appellaion Caracérisiques Débi en Mbps TN1 Muliplexage de 30 voies e 2 voies de signalisaion TN2 Muliplexage secondaire 120 voies uiles TN3 Muliplexage d ordre 3 avec 480 voies uiles TN4 Muliplexage d ordre 4 avec 1920 voies uiles voies Converisseurs Analogiques/ Digiaux Muliplexage Primaire 2 Mbps 30 voies 4 enrées à 2 Mbps Muliplexage d ordre 2 8 Mbps Enrées de données à basses moyennes ou haues viesses. Muliplexage de données 2 Mbps 4 enrées à 8 Mbps 120 voies Muliplexage d ordre 3 32 Mbps 480 voies 1920 voies 4 enrées à 32 Mbps Muliplexage d ordre Mbps Muliplexage TN1 à TN4. Page 11/11