DSL : le support physique et les techniques de modulation

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1 DSL : le support physique et les techniques de modulation par François DUTHILLEUL Ingénieur civil électricien (Télécoms) de la Faculté Polytechnique de Mons (FPMs) Responsable des solutions réseaux DSL au sein de la division réseaux d accès d Alcatel et Paul SPRUYT Ingénieur civil en électronique de l Université de Gand (RUG) Responsable de la stratégie DSL au sein de la division réseaux d accès d Alcatel Alcatel Fellow 1. La paire de cuivre torsadée... TE Historique La paire de cuivre torsadée en pratique Caractéristiques électriques Capacité de transmission Contraintes Atténuation linéique Diaphonie Dérivation passive Inadaptation d impédance Bobines de charge Bruit impulsionnel Bruit thermique Captage radiofréquence Conclusions Réseaux d accès basés sur la paire de cuivre torsadée Le réseau d accès téléphonique Le réseau d accès DSL Les modulations dans le DSL Modulation en bande de base La modulation 2B1Q La modulation TC-PAM Modulations à porteuse unique (SCM) et à porteuses multiples (MCM) Modulation à porteuse unique CAP/QAM Modulation discrète à porteuses multiples (DMT) Références bibliographiques A vec plus de 150 millions de lignes déployées de par le monde [1], le succès des technologies DSL n est plus à démontrer. Ce succès planétaire s explique en grande partie par l avènement de l internet vers la fin des années 90 dont l enrichissement constant en contenu multimédia (audio, vidéo) a rapidement mis en évidence les limitations du modem analogique et du réseau téléphonique pour le transport de données. Même si l apparition du réseau numérique à intégration de services (RNIS) a constitué une étape importante en adressant la forte demande résidentielle pour une offre simultanée du service téléphonique et du service de données, ce n est réellement qu avec l arrivée de la ligne d abonné est strictement interdite. Editions T.I. TE

2 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION numérique asymétrique (ADSL) que les attentes des abonnés en terme d accès à haut débit ont été pleinement satisfaites. L ADSL s est progressivement imposée pour remplacer le modem analogique et devenir la technologie à large bande la plus déployée à ce jour. Ces dernières années, l émergence de la téléphonie sur IP (VoIP) et de la télévision sur IP (IPTV) a motivé le développement de nouvelles technologies DSL en vue d offrir une capacité accrue et ce, afin de supporter une offre multiservice, communément appelée offre triple play, combinant l accès à l internet à haut débit, la téléphonie et la télévision sur IP. Ce développement a abouti à la définition de deux standards qui sont amenés à jouer un rôle très important dans la prochaine décennie : l ADSL2plus et le VDSL2. Ce dernier permet une transmission bidirectionnelle de 100 Mbit/s sur une seule paire téléphonique classique. La paire de cuivre n a pas fini d étonner et les ingénieurs n ont de cesse de repousser toujours plus loin l arrivée de la fibre optique jusqu à la maison. Cet exposé aborde les principes de base des technologies DSL depuis les contraintes de la transmission sur une paire de cuivre torsadée jusqu aux différentes modulations utilisées et décrit également l architecture typique d un réseau d accès DSL. Ce dossier est le premier d une série de deux articles sur les technologies DSL : [TE 7 598] DSL : le support physique et les techniques de modulation ; [TE 7 599] Les technologies DSL : passé, présent et futur. Tableau des abréviations 2B1Q 2 Binary 1 Quaternary 2 Binaire 1 Quaternaire 4B3T 4 Binary 3 Ternary 4 Binaire 3 Ternaire ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Ligne d abonné numérique asymétrique AM Amplitude Modulation Modulation d amplitude ATM Asynchronous Transfer Mode Mode de transfert asynchrone AWG American Wire Gauge Section de fil de cuivre américain AWGN Additive White Gaussian Noise Bruit blanc gaussien additif CAA Autonomous local exchange Commutateur à autonomie d acheminement CAP Carrierless Amplitude and Phase Modulation Modulation d amplitude/phase sans porteuse CL Local exchange Commutateur Local CO Central Office Central téléphonique CPE Customer Premises Equipment Équipement du domicile d abonné DC Direct Current Courant continu DMT Discrete MultiTone Porteuses multiples discrètes DRM Digital Radio Mondiale Radio mondiale numérique DSL Digital Subscriber Line Ligne d abonné numérique DSLAM Digital Subscriber Line Access Multiplexer Multiplexeur d accès de ligne d abonné numérique EC Echo Cancelling Annulation d écho ETSI European Telecommunications Standards Institute Institut européen des standards de télécommunications FDD Frequency Division Duplexing Duplexage avec partage de fréquence FEC Forward Error Correction Code de correction d erreur FEXT Far End CrossTalk Télédiaphonie HDSL High bit rate Digital Subscriber Line Ligne d abonné numérique à grand débit ICI Inter Carrier Interference Interférence interporteuse IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Institut des ingénieurs en électricité et en électronique INP Impulse Noise Protection Protection au bruit impulsionnel IP Internet Protocol Protocole Internet IPTV IP TeleVision Télévision sur IP ISI Inter Symbol Interference Interférence intersymbole MCM Multi Carrier Modulation Modulation à porteuses multiples (0) TE est strictement interdite. Editions T.I.

3 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Tableau des abréviations (suite) MW Medium Wave Onde moyenne NEXT Near End CrossTalk Paradiaphonie ONU Optical Network Unit Terminaison de réseau optique PAM Pulse Amplitude Modulation Modulation d impulsion en amplitude PSD Power Spectral Density Densité de puissance spectrale QAM Quadrature Amplitude Modulation Modulation d amplitude en quadrature REIN Repetitive Electrical Impulse Noise Bruit impulsionnel électrique répétitif RF Radio Frequency RadioFréquence RFI Radio Frequency Interference Interférence radiofréquence RNIS Integrated Services Digital Network (ISDN) Réseau Numérique à Intégration de Services RTPC Public Switched Telephone Network (PSTN) Réseau Téléphonique Public Commuté SCM Single Carrier Modulation Modulation à porteuse unique SDSL Single Line DSL ou Symmetric single pair high rate Digital Subscriber Line Ligne d abonné numérique à grand débit symétrique sur paire unique (implémentations propriétaires) ou Ligne d abonné numérique à grand débit symétrique sur paire unique (standard ETSI) SHDSL Single-pair High-speed Digital Subscriber Line Ligne d abonné numérique à haut débit sur paire unique SHINE Single High Impulse Noise Simple bruit impulsionnel à forte amplitude SNR Signal to Noise Ratio Rapport signal sur bruit STP Shielded Twisted Pair Paire torsadée blindée SW Short Wave Onde courte TC Trellis Coding Codage par treillis TP Twisted Pair Paire torsadée ITU International Telecommunications Union Union internationale des télécommunications (UIT) UTP Unshielded Twisted Pair Paire torsadée non blindée VDSL Very high speed Digital Subscriber Line Ligne d abonné numérique à très haut débit VoIP Voice over IP Voix sur IP xtu-c xdsl Transceiver Unit - Central Office Unité de transmission xdsl Centrale xtu-r xdsl Transceiver Unit - Remote Unité de transmission xdsl Distante 1. La paire de cuivre torsadée Pour bien comprendre le principe des technologies DSL (Digital Subscriber Line), il est essentiel de connaître les principales propriétés et contraintes de son médium de transmission : la paire de cuivre torsadée. 1.1 Historique La paire de cuivre torsadée (TP, Twisted Pair) fut inventée en 1881 [2] par Alexander Graham Bell quelques années seulement après qu il ait breveté le principe du téléphone. Le fait de torsader les fils de cuivre rend la paire moins sensible au couplage électromagnétique avec des perturbateurs externes et diminue également la radiation électromagnétique vers l extérieur. L enroulement a donc pour effet de réduire sensiblement les interférences de ou vers d autres systèmes comme les paires voisines ou les récepteurs ou émetteurs radio. La paire de cuivre torsadée a été très largement déployée pour la téléphonie analogique ce qui lui a d ailleurs valu la dénomination commune de paire téléphonique. Ce n est que plus tard qu elle a été utilisée pour la transmission de données. Actuellement, il y a plus de 1,2 milliards de lignes téléphoniques installées dans le monde [3]. 1.2 La paire de cuivre torsadée en pratique La paire de cuivre torsadée consiste en l entrelacement de deux brins de cuivre recouverts d isolants. Une paire de cuivre est caractérisée par son diamètre, son type d isolant et son enroulement. Plus le pas de torsade est court, meilleure sera l immunité de la paire de cuivre aux perturbateurs électromagnétiques extérieurs. Le diamètre de la paire de cuivre varie généralement de 0,3 à 1 mm. Les diamètres les plus courants sont 0,4 mm et 0,5 mm. On distingue les paires blindées (STP, Shielded Twisted Pair) et les paires non blindées (UTP, Unshielded Twisted Pair). Les paires torsadées téléphoniques sont typiquement non blindées. Elles sont, en règle générale, regroupées par toron (binder) au sein d un câble, bien qu il existe également des câbles qui ne soient pas organisés en toron. Le couplage entre les paires d un même toron est bien plus important que le couplage entre des paires de torons différents. Aussi, souvent des paires sont groupées en quartes (quads) consistant en deux paires (4 fils) enroulées l une à l autre. Plusieurs quartes sont contenues dans un toron ou un câble. Le couplage intra-quarte est le couplage le plus élevé. 1.3 Caractéristiques électriques Le comportement électrique d une paire de cuivre isolée peut être modélisé jusqu à quelques dizaines de MHz par les techniques classiques des lignes de transmission (figure 1). est strictement interdite. Editions T.I. TE

4 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION V e (f) R Figure 1 Modélisation d un tronçon infinitésimal d une paire torsadée [4] [5] Un tronçon infinitésimal de ligne est caractérisé par un quadripôle composé d une résistance linéique (R), d une inductance linéique (L), d une conductance linéique (G) et d une capacité linéique (C). Ces quatre composants, qualifiés de paramètres primaires, peuvent tous dépendre de la fréquence (f). La fonction de transfert, H(f, d), d une ligne de transmission de longueur d peut être obtenue en cascadant ces tronçons infinitésimaux et en résolvant les équations différentielles associées [4] [5] : γ (f )d H(f, d) = e avec γ () f = [ Rf () + jωl() f] [ Gf () + jωc() f] (1) Il en résulte un coefficient de propagation γ (f ) qui est fonction de la fréquence : γ (f) = α(f) + jβ(f) La partie réelle de ce coefficient, α(f), détermine l atténuation de ligne. Pour les paires torsadées, en première approximation, α(f) est proportionnelle à f. L atténuation augmente donc avec la fréquence. L équation (1) démontre également que l atténuation, exprimée en db ( 10lg Hfd (, ) ), est proportionnelle avec la longueur d. Comme l atténuation dépend de la fréquence, la forme d une impulsion (ou d un symbole) transmise sur la ligne sera modifiée lors de sa propagation sur cette ligne. Si des symboles successifs sont transmis, une superposition de ces symboles peut survenir. Ce phénomène est connu sous l appellation d interférence intersymbole (ISI, Inter Symbol Interference). La partie imaginaire du coefficient de propagation, β(f), correspond à une rotation de phase. Si β(f) variait linéairement avec la fréquence (avec pour résultante un délai de groupe constant), il représenterait un pur délai. Pour une paire torsadée, ce n est pas le cas puisque β(f) est non linéaire en particulier pour les plus basses fréquences. Cette non-linéarité engendre une distorsion de phase qui résulte aussi dans une interférence intersymbole. Dans les systèmes à porteuses multiples ( 3.2.2), la paire torsadée ne cause pas seulement de l interférence intersymbole mais également de l interférence entre porteuses (ICI, Inter Carrier Interference) : des fréquences modulées séparément au niveau de l émetteur vont interférer au récepteur. Il est important de noter que dans les systèmes DSL, les filtres de transmission et de réception à chaque extrémité de la ligne téléphonique peuvent également contribuer à l ISI et l ICI. 1.4 Capacité de transmission L dx La formule de Shannon-Hartley décrit le débit binaire maximum pouvant être transmis sur un canal donné. La capacité de Shannon pour un canal donné est : G V s () f = Hfd (, )V e () f C = log 2 ( 1 + SNR() f ) df W C V s (f) avec C capacité du canal de transmission (en bits par seconde), SNR(f) rapport signal sur bruit à l entrée du récepteur, W bande de fréquence disponible pour la transmission de données (en Hz), f fréquence (en Hz). La capacité de Shannon représente la limite théorique du débit atteignable. En pratique, le débit atteignable est moindre et dépend du codage en ligne utilisé (technique de modulation) et du codage de canal (technique de correction d erreur). De plus, des erreurs de transmission peuvent se produire. Pour les systèmes xdsl qui utilisent la modulation DMT (par exemple : ADSL, ADSL2, ADSL2plus, VDSL et VDSL2), le débit maximal de ligne est donné par la formule suivante : avec T durée d un symbole DMT en secondes (1/T étant le débit de symbole), i l index de la sous-porteuse qui s étend de i min à i max *, SNR i rapport signal sur bruit mesuré à l entrée du récepteur pour la sous-porteuse i, Γ écart de rapport signal sur bruit (SNR gap) (9,44 pour une transmission QAM non codée et un taux d erreur de 10 7, correspondant avec 9,75 db), G gain de codage de canal (environ 1,8 à 2 db pour un codage Reed-Solomon ou 2,8 db pour un codage combinant Reed-Solomon et un codage en treillis correspondant respectivement avec 2,5 db à 3 db et 4,5 db), M marge du rapport signal sur bruit (typiquement 4, correspondant avec 6 db). * Par exemple, pour le canal descendant de l ADSL (tableau 1, 3) avec spectre de fréquence non superposé, i min = 32 et i max = 256. Le rapport signal sur bruit comme son nom l indique représente le rapport de la puissance (ou PSD) du signal sur la puissance (ou PSD) de bruit mesurée au niveau du récepteur. La puissance (PSD) du signal en réception est déterminée par la puissance (PSD) émise et l atténuation du canal de transmission. Le bruit peut être composé de plusieurs éléments. La plupart sont extérieurs à la ligne. Un aperçu des sources de bruit les plus communes est présenté dans le 1.5. Cependant, même si l ISI et l ICI ont été introduites dans le paragraphe précédent ( 1.3), elles contribuent également au bruit (sauf si elles peuvent être éliminés par traitement du signal). 1.5 Contraintes i max 1 C = T -- log 1 + SNR i G 2 i = Γ M i min Ce paragraphe dresse un aperçu des perturbations les plus communes pour les systèmes de transmission DSL. La figure 2 illustre l atténuation en fonction de la fréquence d un signal transmis à un niveau de PSD de 60 dbm/hz (signal transmis) après propagation sur une paire de cuivre torsadée de type 26AWG de 1 km (0,4 mm de diamètre) (signal reçu), ainsi que le niveau de télédiaphonie (FEXT) et de paradiaphonie (NEXT) induit par des signaux similaires transmis sur des paires adjacentes. La figure illustre également quelques exemples de pics d interférence radiofréquence (RFI) et un seuil de bruit blanc additif gaussien (AWGN, Additive White Gaussian Noise) de 140 dbm/hz. TE est strictement interdite. Editions T.I.

5 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Densité de puissance spectrale (dbm / Hz) FEXT RFI entrantes Signal transmis NEXT Signal reçu AWGN 160 0,0E ,0E ,0E ,0E ,0E ,0E + 07 Spectre Fréquence (Hz) ADSL Atténuation (db) PE090 PE063 PE050 PE040 PE032 Figure 2 Représentation de la densité de puissance spectrale (dbm/hz) du signal reçu, de la télédiaphonie et de la paradiaphonie pour un signal transmis avec une densité de puissance spectrale de 60 dbm/hz [6] Atténuation (db) Fréquence (MHz) Figure 3 Atténuation de ligne d une paire torsadée TP100 (0,5 mm de diamètre) en fonction de la fréquence pour différentes longueurs de ligne Atténuation linéique 0 m 500 m m m m m m m m L atténuation d une paire torsadée téléphonique est fonction de la longueur de la ligne ainsi que de la fréquence du signal transmis. Un signal sera d autant plus atténué que la longueur de ligne est longue. Comme démontré dans le 1.3, l atténuation exprimée en db est proportionnelle à la longueur. La figure 3 représente l atténuation de ligne en db d une paire torsadée TP100 (0,5 mm de diamètre) en fonction de la fréquence pour différentes longueurs de ligne de 0 à m par pas de 500 m. Un câble de plus petit diamètre de fil de cuivre atténuera plus également. La figure 4 représente l atténuation en db en fonction de la fréquence pour différents types de câble de paires torsadées, tous d une longueur d un kilomètre. Tous les câbles représentés à la figure 4 utilisent du polyéthylène comme isolant mais diffèrent par leur diamètre de fil de cuivre. Par exemple, le câble PE050 est une paire torsadée polyéthylène avec un diamètre de fil de cuivre de 0,5 mm Fréquence (MHz) Figure 4 Atténuation de ligne à 1 km en fonction de la fréquence pour différents types de câbles (de diamètres différents) Diaphonie La diaphonie désigne l émission parasite d une paire sur une autre au sein d un même câble (toron). Tout signal électrique génère un champ électromagnétique autour du conducteur de transport. Ce champ interfère sur les conducteurs environnants et y induit un signal parasite (un bruit) dégradant le rapport signal sur bruit au niveau du récepteur des paires voisines. Cela résulte en une perte de capacité, une portée réduite ou une diminution de la marge opérationnelle de rapport signal sur bruit. La présence de plusieurs technologies DSL au sein d un même câble téléphonique nécessite des règles strictes de contrôle du spectre émis pour réduire l effet de diaphonie mentionné ci-dessus. On distingue principalement deux types de diaphonie : la paradiaphonie (NEXT) ; la télédiaphonie (FEXT). Dans un câble, la paradiaphonie et la télédiaphonie entre les paires sont des paramètres statistiques dans le sens que leur valeur dépend des paires sélectionnées en tant que paires perturbatrices et victimes. Le couplage est déterminé par la construction physique du câble comme la distance entre les paires considérées (qui peut ne pas être constante sur toute la longueur du câble) et la torsade relative. Par conséquent, dans les simulations et les mesures en laboratoire, souvent un modèle de type du pire cas (worst case) est appliqué pour la diaphonie, de manière à obtenir des débits conservatifs : dans un câble réel, pour la plupart des paires, la diaphonie sera moindre que celle suggérée par ce modèle Paradiaphonie (NEXT) La paradiaphonie ou diaphonie locale (NEXT, Near End CrossTalk) désigne le bruit induit par une paire sur laquelle un signal est transmis (paire perturbatrice) sur une paire voisine (paire victime) présente au sein du même câble, dû à un couplage entre les paires. Le terme «local» signifie que le bruit induit par l émetteur de la paire perturbatrice est reçu par le récepteur de la paire victime du même côté du câble. Comme illustré à la figure 5, la paradiaphonie peut être présente au niveau du central et au niveau de l abonné. est strictement interdite. Editions T.I. TE

6 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Central xtu-c1 xtu-c2 Câble NEXT FEXT Figure 5 Paradiaphonie (NEXT) et télédiaphonie (FEXT) La paradiaphonie est fonction de la fréquence et s exprime comme le rapport entre la puissance (PSD) induite sur la paire victime et la puissance (PSD) d émission de la paire perturbatrice à une fréquence donnée. Cette fonction de transfert de puissance est souvent exprimée en décibels (db) et sa valeur est négative. Plus sa valeur absolue est élevée, moins le bruit induit sera puissant et meilleur sera le rapport signal sur bruit. La fonction de transfert de puissance NEXT s exprime par : avec f fréquence (Hz), f 0 fréquence de référence (1 MHz), L longueur de la ligne (m), K XN coefficient de couplage qui est une valeur empirique, H(f, L) fonction de transfert de ligne qui dépend de la fréquence f et de sa longueur L. La diaphonie locale augmente avec f 3/2, ou de 15 db par décade de fréquence (4,5 db par octave). L équation (2) est valable dans le cas de paradiaphonie générée par une seule paire perturbatrice. Si le câble contient plusieurs paires perturbatrices du même type, la formule est adaptée par un facteur n 0,6, n étant le nombre de perturbateurs identiques. Dans les systèmes de transmission à paire torsadée, la dégradation due à la paradiaphonie peut être évitée en utilisant des bandes de fréquences distinctes pour la transmission en voie descendante et en voie montante. Dans ce cas, au niveau du récepteur, la paradiaphonie du signal transmis dans la direction opposée peut être supprimée à l aide de filtres de fréquence sélectifs Télédiaphonie (FEXT) Paire perturbatrice FEXT Paire victime NEXT NfL (, ) K f XN , = ( 1 HfL (, ) f 0 4 ) Abonnés xtu-r1 xtu-r2 La télédiaphonie ou diaphonie distante (FEXT, Far End CrossTalk) désigne le bruit induit par une paire, sur laquelle un signal est transmis (paire perturbatrice) sur une paire voisine (paire victime) présente au sein du même câble, dû à un couplage entre les paires. Le terme «distant» signifie que le bruit induit par l émetteur de la paire perturbatrice est reçu par le récepteur de la paire victime de l autre côté du câble. Comme illustré à la figure 5, la télédiaphonie peut être présente au niveau du central et au niveau de l abonné. La télédiaphonie est fonction de la fréquence et s exprime comme le rapport entre la puissance (PSD) induite sur la paire victime et la puissance (PSD) d émission de la paire perturbatrice à une fréquence donnée. Cette fonction de transfert de puissance est souvent exprimée en décibels (db) et sa valeur est négative. Plus sa valeur absolue est élevée, moins le bruit induit sera puissant et meilleur sera le rapport signal sur bruit. (2) La fonction de transfert de puissance FEXT s exprime par : avec f fréquence (Hz), f 0 fréquence de référence (1 MHz), L longueur de la ligne (m), L 0 longueur de référence (1 km), K XF coefficient de couplage FEXT qui est une valeur empirique, H(f, L) fonction de transfert de ligne qui dépend de la fréquence f et de la longueur L. La diaphonie distante augmente avec f 2, ou donc de 20 db par décade de fréquence (6 db par octave). L équation (3) est valable dans le cas de télédiaphonie générée par une seule paire perturbatrice. Si le câble contient plusieurs paires perturbatrices du même type, la formule est adaptée par un facteur n 0,6, n étant le nombre de perturbateurs identiques. Comme le montre l équation (3), la diaphonie distante est atténuée par la fonction de transfert de ligne alors que cela n est pas le cas pour la diaphonie locale. Par conséquent, la paradiaphonie est de loin prédominante par rapport à la télédiaphonie pour les systèmes avec des bandes de fréquences communes pour la transmission montante et descendante (cf. figure 2) Dérivation passive FfL (, ) K f XF --- f 2 = L HfL (, ) 2 0 L 0 Une dérivation passive (bridged tap) désigne une paire torsadée non utilisée présente sur la ligne principale de transmission. Ces dérivations passives sont un héritage d anciennes pratiques d installation et de maintenance des lignes téléphoniques. L existence de dérivations passives dans le réseau d accès diffère de pays en pays et dépend des règles d ingénierie utilisées dans le passé. Ces dérivations engendrent une atténuation de puissance du signal puisqu une partie du signal est transmise sur la dérivation et une autre partie du signal est réfléchie au niveau du point de connexion de la dérivation. De plus, si la dérivation est ouverte à la fin ou mal terminée, le signal sur la dérivation est réfléchi à sa fin engendrant des interférences destructrices sur la ligne principale dans certaines bandes de fréquences, perçues comme des affaiblissements locaux dans la fonction de transfert. Ceci est illustré sur la figure 6 qui représente l impact de la présence d une dérivation passive de 35 pieds (10,7 m) sur une ligne de pieds (762 m) de 0,4 mm de diamètre (26 AWG). Dans cet exemple (figure 6), on peut constater une augmentation de l affaiblissement d insertion autour de 4,7 MHz et 14 MHz. Cette augmentation peut résulter en une diminution du rapport signal sur bruit au niveau du récepteur et donc en une capacité de transmission réduite. Remarque : En fonction de la localisation de la dérivation passive, également une partie du bruit capté sur la ligne principale peut être atténuée par la dérivation passive. Par exemple, si la paire victime présente une dérivation passive au niveau du modem d abonné, la télédiaphonie des paires voisines sur la paire victime en voie descendante sera également atténuée par la dérivation passive. Ceci n est pas le cas en voie montante. Un autre effet néfaste des dérivations passives est leur impact sur l impédance de ligne vue de l émetteur-récepteur (transceiver), entraînant une inadaptation d impédance au niveau du circuit hybride (transformateur 4 fils/2 fils) en charge de la séparation des signaux montants et descendants. La figure 6 illustre cet effet comme une perte de l affaiblissement d adaptation qui est le plus (3) TE est strictement interdite. Editions T.I.

7 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Affaiblissement d'insertion (db) Affaiblissement d'adaptation (db) Central CO 35 pieds pieds (AWG26) 40 avec dé riva tion pas sive 20 sans dériva tion passive Fréquence (MHz) avec dé riva tionpas sive 20 sans dé riva tion passive 10 Figure 6 Exemple de l impact de la présence d une dérivation passive sur l affaiblissement d insertion et d adaptation prononcé autour de 4,7 et 14 MHz dans le cas de l exemple. Cette perte nécessite des précautions dans l implémentation de l émetteur-récepteur pour éviter une perte de capacité, comme décrit à la fin du paragraphe La longueur, la position de la dérivation passive et sa terminaison sont les facteurs principaux qui détermineront l effet sur la transmission DSL. En effet, le premier pic dans l affaiblissement d insertion et le premier creux dans l affaiblissement d adaptation apparaissent quand la longueur de la dérivation passive égale le quart de la longueur d onde. Plus la dérivation passive est courte, plus la fréquence d apparition de ce premier pic/creux sera élevée. Ces pics/creux vont apparaître de manière périodique dans le spectre, leur période correspondant à la fréquence à laquelle la longueur d onde égale deux fois la longueur de la dérivation passive. Les dérivations passives peuvent parfois avoir des effets néfastes importants sur les performances DSL. Dans des cas extrêmes, la présence d une dérivation passive peut empêcher la ligne DSL de se synchroniser. Lors de la détection d une dérivation passive, une possible réparation pour augmenter le débit consiste en la déconnexion de celle-ci ou si la dérivation se situe au niveau de l habitation de l abonné, l installation d un séparateur central de manière à terminer la ligne DSL avant la dérivation passive Inadaptation d impédance Modem d'abonné CPE Fréquence (MHz) Avec dérivation passive Sans dérivation passive L abonné final est relié au central téléphonique par plusieurs tronçons de câbles. Bien que cela ne soit pas une règle générale, bien souvent, les sections de câbles proches du central ont un diamètre plus petit que les sections de câbles plus éloignés. Le plus petit diamètre des paires torsadées dans la section de transport (feeder section) se justifie pour des raisons économiques et pratiques. Un plus petit diamètre permet de réduire le coût et la taille des câbles dans la zone à haute densité autour du central. Le diamètre plus large dans la section de distribution (distribution section) permet de diminuer l atténuation. Il convient de noter que l atténuation totale de ligne est déterminée par la somme des atténuations (en db) des sections individuelles, indépendamment de l ordre des ces sections. De plus, au cours du temps, différents types de câbles ont été utilisés. Par exemple, les anciens câbles utilisaient bien souvent le papier comme isolant entre les paires, tandis que les câbles plus récents utilisent le polyéthylène. Par conséquent, le réseau d accès peut être composé de fils de cuivre de caractéristiques physiques différentes : diamètre, type d isolant, structure de torsade... Ces différents types de câbles ont des caractéristiques électriques différentes (impédance caractéristique...) entraînant des réflexions et une distorsion du signal. Des réflexions peuvent également survenir en bout de câbles (au niveau du central ou de l abonné final) à cause d une inadaptation d impédance entre le circuit hybride de l émetteur-récepteur et l impédance d entrée de la ligne. Dans ce cas, on parle d écho. Les émetteurs-récepteurs peuvent utiliser des techniques d annulation d écho, un circuit hybride adaptatif ou des filtres de séparation de bandes pour réduire ou supprimer l écho Bobines de charge Les bobines de charge (load coils) ont été utilisées dès les débuts de la téléphonie pour améliorer la qualité vocale des lignes supérieures à 18 kft (environ 5,4 km). L introduction de ces bobines le long de la ligne téléphonique permettaient d augmenter et d aplanir la réponse en fréquence de la ligne dans la partie supérieure de la bande vocale. Cependant, si la présence de ces bobines a un effet bénéfique dans la bande vocale, leur présence augmente de manière inacceptable l atténuation de ligne à des fréquences plus élevées (> 4 khz). Pour offrir un service DSL, elles doivent être impérativement retirées. Seulement une minorité des lignes téléphoniques mondiales sont chargées et nécessiteraient une mise à jour pour supporter les technologies DSL [5] Bruit impulsionnel Un bruit impulsionnel désigne une brusque variation du niveau de tension sur une ligne de transmission causée par un signal perturbateur apparaissant de manière aléatoire ou répétitive. Les impulsions peuvent atteindre plusieurs dizaines de millivolts en amplitude et durer de quelques microsecondes jusqu à plusieurs centaines de microsecondes. Le niveau de bruit impulsionnel dépendra du niveau du signal perturbateur, de sa position par rapport à la ligne de transmission et du couplage entre les deux. Un bruit impulsionnel peut être causé par une variété d équipements ou de phénomènes comme les tubes néons, les sonneries téléphoniques, les décharges électrostatiques, la foudre, etc. Deux types de bruits impulsionnels peuvent être distingués : SHINE et REIN. SHINE (Single High Impulse Noise), ou simple bruit impulsionnel à forte amplitude, consiste en un pic de bruit ou des rafales de bruit isolées ou peu fréquentes avec un temps d interarrivée aléatoire. Des exemples de bruit SHINE consistent dans les pics de bruit (noise bursts) causés par le décrochage et le raccrochage (off-hook/ on-hook) du combiné téléphonique, l allumage et l extinction des équipements électriques, la foudre. La figure 7 représente un exemple de bruit impulsionnel causé par l allumage d une lampe au néon. L intervalle de mesure de l axe horizontal équivaut à une milliseconde. L intervalle de mesure de l axe vertical équivaut à 1 volt. Ce signal a été mesuré sur une paire non torsadée d une longueur de 5 m en parallèle du câble électrique d alimentation du tube au néon. est strictement interdite. Editions T.I. TE

8 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION 1,5 Tension (V) 1 0,5 0 0,5 1 0,01 Tension (V) 0,008 0,006 0,004 0, ,004 0,002 Figure 7 Exemple de bruit impulsionnel SHINE : lampe néon Bien que l utilisation de paires non torsadées doit être évitée pour les signaux DSL, ce type de câble est couramment utilisé pour le câblage téléphonique au sein du domicile d abonné. De plus, ces câbles téléphoniques partagent souvent les mêmes conduits que les câbles électriques, ce qui résulte en un couplage élevé. REIN (Repetitive Electrical Impulse Noise), ou bruit impulsionnel électrique répétitif, consiste en des pics de bruit répétitifs ou rafales de bruit répétitives avec un temps d interarrivée entre les rafales quasiment constant. Des causes possibles du REIN sont des circuits de contrôle de puissance par exemple les variateurs (dimmers) ou les alimentations SMPS (Switch-Mode Power Supply) et les lampes fluorescentes à haute efficacité. Quelques appareils qui ont été tenus responsables du REIN en pratique : des téléviseurs avec une alimentation défectueuse ; des variateurs ; des guirlandes lumineuses et clignotantes ; des thermostats pour chauffage central. La figure 8 représente un exemple de bruit impulsionnel REIN causé par un variateur. Cette impulsion unique se répète dans le temps avec une période de 10 ms pour une fréquence de réseau de 50 Hz. Ce signal a été mesuré sur une paire non torsadée d une longueur de 5 m en parallèle du câble électrique d alimentation du variateur. Pour les transmissions DSL, un bruit impulsionnel entraîne un certain nombre d erreurs dans la transmission de données. Les émetteurs-récepteurs DSL utilisent des codes correcteurs d erreur (FEC, Forward Error Correction) tels que le codage Reed-Solomon et l entrelacement des données (interleaving) pour se protéger contre ces bruits impulsionnels. Les récentes versions des standards DSL, basées sur la transmission DMT (comme l ADSL2 et le VDSL2), permettent de configurer une protection contre le bruit impulsionnel minimale (INP, Impulse Noise Protection) exprimée en nombre de symboles DMT. Nota : un symbole DMT a une durée de 250 microsecondes Bruit thermique 1, Durée (ms) Le bruit thermique résulte de l agitation thermique des électrons dans un conducteur. Ce bruit est présent dans tous les équipements électroniques et est fonction de la température. Pour les technologies DSL, ce bruit est typiquement négligeable par rapport au niveau de bruit des récepteurs ( 140 dbm/hz). 0,006 0,008 0,01 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Nombre d'échantillons (x 10 4 ) La fréquence d'échantillonnage de l'oscilloscope numérique est de échantillons par seconde. Donc échantillons représentent une durée de 0,2 ms Figure 8 Exemple de bruit impulsionnel REIN : variateur (dimmer) Captage radiofréquence Lors d un déséquilibrage du câble, les signaux radiofréquences (RF) peuvent être captés par la paire de cuivre torsadée et interférer avec les données transmises au niveau du récepteur. Typiquement, l équilibrage du câble diminue lorsque la fréquence augmente. Par conséquent, les émetteurs-récepteurs utilisant des fréquences élevées comme pour le VDSL2 sont plus vulnérables au bruit radiofréquence entrant (RF Ingress). Le niveau de bruit capté dépend de la structure du câble, plus particulièrement du blindage et de la torsade des paires, et de l équilibrage des circuits connectés comme les émetteurs-récepteurs. Les connexions aériennes, les câbles verticaux dans les immeubles ainsi que le câblage intérieur résidentiel de mauvaise qualité (souvent non torsadé) sont les plus vulnérables pour ce type de bruit entrant [7]. Ce bruit peut provenir d une multitude de sources comme la diffusion AM (MW et SW), la communication radioamateur et les appels d urgence radio, la communication aéronautique et la future radio numérique mondiale (DRM, Digital Radio Mondiale). La communication radioamateur est une des interférences les plus problématiques pour différentes raisons expliquées dans [7]. Il convient de remarquer que le bruit RF entrant est moins un problème pour l ADSL étant donnée sa bande de fréquence limitée (jusqu à 1,1 MHz). Par exemple, la première bande de radioamateur en Europe s étend de 1,8 à 2 MHz ce qui se situe au-delà de la bande de l ADSL (mais qui chevauche la bande de l ADSL2plus). Les systèmes VDSL(2) partagent leur spectre d émission avec différents types d utilisateurs radio. Les émetteurs-récepteurs VDSL(2) peuvent utiliser des techniques avancées de traitement du signal pour supprimer ou réduire l impact du bruit RF entrant [8]. Il convient de noter que l effet inverse se produit également. Par le déséquilibre du câble, une paire de cuivre transportant un signal DSL irradie un champ électromagnétique. Cet effet est appelé bruit radiofréquence sortant (RF Egress). De manière à prévenir des interférences avec les utilisateurs radio, les émetteurs ADSL2plus et VDSL(2) sont capables d affaiblir la puissance de transmission dans les parties de spectre RF sensibles. Par exemple, un émetteur VDSL2 doit être capable de réduire la densité de puissance spectrale émise dans des bandes RF configurables en dessous de 80 dbm/hz [9]. TE est strictement interdite. Editions T.I.

9 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Conclusions Étant donné la grande diversité des topologies de réseaux, des pratiques d installation et des types de câbles utilisés, l impact de ces diverses perturbations peut varier fortement d un opérateur à l autre. De plus, certaines technologies DSL seront plus fortement affectées que d autres par certaines perturbations. Par exemple, l interférence radiofréquence représentera une plus grande menace pour la technologie VDSL(2) que pour l ADSL étant donné son spectre de fréquences beaucoup plus large. Un système de transmission hautement adaptatif est nécessaire pour s adapter à chacune de ces imperfections et optimiser le débit de transport. 2. Réseaux d accès basés sur la paire de cuivre torsadée 2.1 Le réseau d accès téléphonique Le réseau téléphonique traditionnel utilise la commutation de circuits d où son nom de «réseau public téléphonique commuté» (RTPC) (PSTN, Public Switched Telephone Network) [10]. Chaque abonné du réseau téléphonique est relié au moyen d une paire de cuivre torsadée à une interface de ligne d un commutateur local (CL) ou d un commutateur à autonomie d acheminement (CAA). Le terme de boucle locale désigne la partie terminale du réseau téléphonique pour laquelle il y a, en cas de communication, continuité métallique entre l installation d usager et le CL ou CAA [4]. La figure 9 illustre l organisation typique d un réseau téléphonique public commuté [10] [11]. Dans la zone locale (ZL), les abonnés sont raccordés à un même commutateur local. Les commutateurs locaux établissent les connexions entre les lignes d abonnés et leur CAA de rattachement. Une zone à autonomie d acheminement (ZAA) est une zone géographique formée par un ensemble de ZL. Les commutateurs qui équipent une ZAA sont des CAA. Ils gèrent la commutation de circuits et l acheminement du trafic entre différentes ZL et entre différents CAA d une même ZAA. Il y a différents types de zones de transit selon que l on se trouve à un niveau régional (ZTS), national (ZTP) ou international (ZTI) [10]. Pour plus d information, le lecteur pourra se reporter utilement à l article Commutation téléphonique Autocommutateurs des réseaux publics [11]. La figure 10 illustre la modélisation physique du réseau téléphonique français. Le trafic téléphonique d un abonné est acheminé au moyen de câbles multipaires de capacité croissante quand la distance avec le répartiteur d entrée (RE) diminue. Dans le réseau téléphonique français, les câbles utilisés sont des multiples de 7 paires : 7, 14, 28, 56, 112, jusqu à plus de paires. On distingue trois types de câbles dans la boucle locale : Les câbles de branchement relient les postes téléphoniques d abonnés jusqu à un point de concentration (PC). La capacité de ces câbles est typiquement de 7 paires. L abonné final est connecté au moyen d un câble d une ou deux paires. Les câbles de distribution relient les points de concentration aux sous-répartiteurs (SR). La capacité de ces câbles est typiquement de 56 paires bien que des câbles de capacité supérieure (par exemple, 112 paires) ou inférieure (par exemple, 28 paires) soient aussi utilisés. Les câbles de transport relient les sous-répartiteurs au répartiteur (RE). Le répartiteur est associé à une zone locale qui représente la zone géographique desservie par le commutateur. La capacité de ces câbles de transport varie de 112 jusqu à plus de paires. Zone de transit international (ZTI) Commutateur de transit international (CTI) Zone de transit principal (ZTP) Commutateur de transit principal (CTP) Zone de transit secondaire (ZTS) Commutateur de transit secondaire (CTS) Zone à autonomie Commutateurs à d'acheminement autonomie (ZAA) d'acheminement (CAA) Commutateurs locaux (CL) Poste téléphonique Figure 9 Organisation typique d un réseau téléphonique commuté (RTC) est strictement interdite. Editions T.I. TE

10 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Répartiteur Sous répartiteur n 1 Sous répartiteur n 2 Câbles de distribution Bâtiment de l'opérateur Câbles de transport Sections de génie civil Câbles de branchement Points de concentration (PC) (Source : ARCEP) Figure 10 Modélisation physique du réseau téléphonique de France Télécom [12] Nombre d'abonnés (Millions) Abonnés aux services de télécommunications à travers le monde : Lignes fixes Abonnés mobiles Figure 11 Évolution du nombre mondial de lignes fixes [3] C est au niveau du répartiteur d entrée que se situe le premier nœud de raccordement d abonné (NRA). En amont du NRA, la transmission se fait au moyen d un faisceau de paires de cuivres ou au moyen de fibres optiques. Fin 2005, le parc de lignes fixes mondial était de 1,2 milliards de lignes dont plus de 33 millions sur le territoire français [3]. La figure 11 illustre l évolution du nombre de lignes fixes de 2001 à Les opérateurs de télécommunications désirent utiliser cette gigantesque base installée aussi longtemps que possible avant d installer de nouveaux supports de transmission comme la fibre optique jusqu à l abonné qui représente un investissement très conséquent. Ce désir est à la base du succès des technologies DSL. 2.2 Le réseau d accès DSL Abonnés haut débit (source : IDATE) Contrairement à d autres technologies d accès filaire comme les réseaux câblés ou les réseaux optiques passifs qui ont une topologie point à multipoint [13], la ligne d abonné numérique est une technologie d accès point à point où un modem situé au niveau du central (xtu-c, xdsl Transceiver Unit- Central Office) échange des données au travers d une (ou éventuellement plusieurs) paire(s) de cuivre torsadée(s) avec un modem distant (xtu-r, xdsl Transceiver Unit- Remote). Remarque : Pour des déploiements déportés où le modem côté réseau est colocalisé avec une terminaison de réseau optique (ONU, Optical Network Unit) situé par exemple au niveau du sous-répartiteur (SR), l acronyme xtu-o (xdsl Transceiver Unit- Optical node) est souvent utilisé au lieu de xtu-c. Le modèle de référence d un réseau d accès ADSL est illustré sur la figure 12. La voie descendante indique la transmission du central vers l abonné (xtu-c vers xtu-r) tandis que la voie montante indique celle de l abonné vers le central (xtu-r vers xtu-c). Certaines technologies DSL comme l ADSLx et le VDSLx utilisent la technique du multiplexage en fréquence pour permettre le support simultané d un service en bande de base (exemple : RTPC et RNIS). Dans ce cas, un filtre séparateur est nécessaire au niveau de l abonné et du côté du réseau pour séparer le service en bande de base du service de données. Ceci n est pas supporté par les technologies SHDSL (sauf dans leur variante CAP). La technique FDD (Frequency Division Duplexing) sépare la voie descendante et la voie montante du service de données. La technique EC (Echo Cancelling) permet une transmission montante et descendante dans une même bande de fréquence. En pratique, les modems xtu-c sont regroupés ensemble sur une carte de ligne au sein d un multiplexeur d accès de ligne numérique d abonné (DSLAM, Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Le DSLAM est typiquement situé au niveau du commutateur local et son rôle consiste à terminer l ensemble des lignes d abonnés numériques dans la zone géographique qu il dessert et à assurer l interface entre le réseau d agrégation et le réseau d accès. Il comprend généralement une ou deux cartes d interface vers le réseau d agrégation (de manière à assurer une redondance) et plusieurs cartes de lignes. Chaque carte de ligne est capable de terminer plusieurs lignes d abonnés. Les premières cartes de ligne ADSL terminaient quatre lignes ADSL. Actuellement, les densités les plus rencontrées sont 24 ou 48 lignes. Les DSLAMs permettent de supporter différentes cartes de lignes par châssis. Plusieurs châssis peuvent être combinés dans un rack de manière à augmenter le nombre de lignes DSL. On distingue principalement deux types de DSLAM en fonction du type de commutateur : ATM DSLAM : comprend un commutateur de cellules ATM ; IP DSLAM : comprend un commutateur de trames Ethernet. Certains DSLAMs comprennent les filtres séparateurs tandis que d autres ne contiennent que les cartes d interface de ligne ainsi que la ou les cartes d interface vers le réseau et nécessitent une armoire externe pour cette fonction. TE est strictement interdite. Editions T.I.

11 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION V C NT T R T / S Réseau à large bande P H Y ATU C ATU R P H Y Réseau local résidentiel U C2 U R2 Réseau à bande étroite RTPC ou RNIS Filtre passe - haut Filtre passe - bas Filtre séparateur central U C U R Filtre passe - haut* Filtre passe - bas Filtre séparateur abonné * Ce filtre passe-haut est en pratique typiquement intégré dans le modem d'abonné (NT) Combiné téléphonique, modem en bande vocale, ou terminal RNIS Figure 12 Modèle de référence ADSL (0) Tableau 1 Récapitulatif des modulations utilisées en DSL ITU-T ETSI TM6 NIPP-NAI IEEE HDSL 2B1Q, CAP 2B1Q(1), CAP(2) 2B1Q, CAP, DMT HDSL2/HDSL4 16-TCPAM OPTIS SHDSL 16-TCPAM 16-TCPAM 16-TCPAM E-SHDSL 16-TCPAM, 32-TCPAM 16-TCPAM, 32-TCPAM 16-TCPAM, 32-TCPAM ADSL DMT DMT DMT ADSL Lite DMT DMT DMT ADSL2 DMT DMT DMT ADSL2 Lite DMT DMT DMT ADSL2plus DMT DMT DMT VDSL DMT(1) DMT, QAM DMT, QAM(3) DMT QAM(2) VDSL2 DMT DMT (1) Corps principal du document (2) Annexe du document (3) À l état de rapport technique 3. Les modulations dans le DSL Les techniques de modulation jouent un rôle important dans les technologies DSL. Il existe plusieurs types de modulation : modulation d amplitude ; modulation de fréquence ; modulation de phase. Le lecteur intéressé peut se référer au tableau 1 qui récapitule les modulations utilisées par les différentes technologies DSL standardisées. 3.1 Modulation en bande de base Les modulations en bande de base n utilisent pas de fréquence porteuse pour la transmission de données ; par conséquent, leur spectre est centré autour de 0 Hz (DC, Direct Current) La modulation 2B1Q La modulation 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) est une modulation d amplitude (PAM, Pulse Amplitude Modulation) qui associe à deux bits successifs un niveau de tension parmi quatre niveaux possibles : +3V, +V, V et 3V. Au lieu de coder un bit sur deux états, correspondant avec 0 ou 1, deux bits successifs sont codés sur quatre états, deux positifs et deux négatifs. Le bit de signe désigne le premier des deux bits à coder et indique la polarité du symbole codé. Le bit d amplitude désigne le second bit et représente l amplitude du symbole codé. Cette modulation divise par deux la bande de fréquences nécessaire à la transmission par rapport à une modulation bipolaire utilisant seulement deux niveaux pour coder l information. Cette réduction de fréquence permet de bénéficier d une atténuation de ligne réduite et par conséquent d une plus grande portée. La réduction de fréquence permet également une meilleure immunité à la paradiaphonie (NEXT) et la télédiaphonie (FEXT) puisque pour rappel, leur fonction de transfert de puissance augmente est strictement interdite. Editions T.I. TE

12 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Niveau de tension + 3 V + V V Bit de signe (polarité) Bit d'amplitude aussi par un certain nombre (K 1) de bits précédents. Ce mot de code de n bits est ensuite associé à un symbole multiniveaux. Cette modulation est utilisée pour les technologies HDSL2, HDSL4, SHDSL et E-SHDSL (Enhanced SHDSL). Citons principalement le 16- TCPAM pour le SHDSL qui associe à toute suite de trois bits (k = 3) un niveau de tension parmi seize possibilités (p = 1 ; n = 4) et le 32- TCPAM qui associe à toute suite de quatre bits (k = 4) un niveau de tension parmi 32 possibilités (p = 1 ; n = 5). En utilisant un codage multiniveaux (16 et 32 niveaux respectivement), les technologies SHDSL et E-SHDSL ont une meilleure efficacité spectrale comparativement aux systèmes SDSL basés sur le 2B1Q. 3 V Figure 13 Principe du codage 2B1Q respectivement avec f 3/2 et f 2 (où f représente la fréquence). Ces meilleures performances sont possibles au prix d une plus grande complexité puisque le récepteur dispose d une distance plus réduite entre les niveaux de décision (quatre au lieu de deux) et exige un meilleur rapport signal à bruit pour un même taux d erreur binaire. Le récepteur doit détecter la polarité et l amplitude du signal. Ce codage est utilisé pour le RNIS et permet de transmettre un débit binaire de 160 kbps sur un spectre de 80 KHz*. Cette modulation est également utilisée par la technologie HDSL ainsi que par certains systèmes SDSL propriétaires (à ne pas confondre avec la version du SHDSL standardisée par l ETSI). * Il convient de noter que le spectre du signal 2B1Q (comme celui de tout signal modulé) ne s arrête pas au premier zéro de fréquence. Pour exemple, le spectre d un signal ISDN (2B1Q) n est pas strictement limité à 80 khz. Cependant, la majorité de sa puissance est contenue dans le premier lobe en dessous de 80 khz. 80 kbaud est le débit de symbole pour un débit binaire de 160 kbps utilisant une modulation 2B1Q. Le principe de la modulation 2B1Q est illustré sur la figure 13. L exemple suppose une suite de bits à transmettre La forme rectangulaire des impulsions est uniquement utilisée pour des besoins d illustration. Il convient de noter qu il existe une autre variante de modulation en bande de base également utilisée pour le RNIS : le 4B3T. Cette modulation est décrite dans la spécification ETSI ETR80-Annexe B [14] et dans d autres standards nationaux comme le standard allemand 1TR220. Le 4B3T code quatre bits sur trois symboles ternaires avec des niveaux de tensions positifs, négatifs ou nuls. Il existe de nombreuses possibilités pour coder 16 (2 4 ) états binaires en 27 (3 3 ) mots de codage composés de trois symboles mais les standards RNIS 4B3T définissent un codage connu sous MMS43 (Modified Monitoring State). Le taux de symbole correspond à 3/4 du débit binaire à savoir 120 kbaud pour le RNIS. Cette modulation est déployée en Belgique et en Allemagne pour le RNIS La modulation TC-PAM La modulation d impulsions en amplitude avec codage par treillis (TC-PAM, Treillis Coded Pulse Amplitude Modulation) est une modulation d amplitude multiniveaux avec redondance. La redondance est introduite par un codage en treillis à l émission, ce qui permet un mécanisme de détection et de correction d erreurs en réception. Le codage en treillis est une technique combinant modulation et codage permettant d obtenir un gain de codage sans extension de bande passante. Pour chaque k bits, le codeur en treillis produit n = k + p bits où le mot de code de n bits est déterminé non seulement par la valeur des k bits entrants mais Modulations à porteuse unique (SCM) et à porteuses multiples (MCM) Modulation à porteuse unique CAP/QAM La modulation d amplitude en quadrature de phase communément dénommée QAM (Quadrature Amplitude Modulation) dans la terminologie anglo-saxonne est une modulation combinant à la fois une modulation d amplitude et de phase. À l émetteur, les bits entrants sont associés à des symboles complexes (avec amplitude et phase) multiniveaux en base de bande et sont ensuite modulés sur une fréquence porteuse. Le spectre d une modulation QAM est centré autour de la fréquence porteuse. La figure 14 illustre différentes constellations de symboles QAM (ou CAP) avec respectivement 1, 2, 4 et 6 bits par symbole. Des tailles de constellation plus larges (par exemple : 8 bits par symbole) et des tailles de constellation impaires (par exemple : 5 bits par symbole) sont également possibles. Cette figure montre également l exemple d un signal modulé 16-QAM dans le domaine temporel. Le bruit capté durant la transmission du symbole sur le support de transport (par exemple : sur la paire torsadée pour les technologies DSL) brouillera l image du symbole au niveau du récepteur. Les symboles reçus ne seront pas détectés sur la grille de constellation mais dans un «nuage» autour des points de constellation (comme illustré par les cercles gris pour la constellation QPSK). Aussi longtemps que les points en réception restent à l intérieur du carré approprié de la grille de constellation, le démappeur/ décodeur sera en mesure de prendre une décision correcte. La modulation CAP est étroitement liée avec la modulation QAM et peut être considérée comme une variante au niveau de son implémentation. À l émetteur, les bits entrants sont associés à des symboles multiniveaux passe-bande modulés sur une fréquence porteuse. Alors que pour la modulation QAM, l association de symbole et la modulation de porteuse sont des étapes successives à l émetteur, ces étapes sont combinées en une seule opération dans le cas du CAP. Le spectre est identique pour une modulation QAM et CAP (en faisant l hypothèse d une porteuse et de filtres d émission identiques). La modulation CAP est standardisée pour la technologie HDSL et utilisée dans des systèmes propriétaires SDSL, bien que des variantes de ces technologies DSL symétriques fondées sur l utilisation de la modulation 2B1Q existent. Dans le cas de l HDSL, une modulation 64-CAP et 128-CAP avec codage en treillis est spécifiée pour des débits respectifs de kbps et kbps. Comme pour la modulation TC-PAM, le codage en treillis est utilisé dans les systèmes HDSL basés sur la modulation CAP pour la correction d erreurs et pour le gain de codage. TE est strictement interdite. Editions T.I.

13 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION 1 bit / symbole 2 bits/ symbole Bruit 4 bits/ symbole 6 bits/ symbole BPSK QPSK 16 QAM 64 QAM Figure 14 Modulation d amplitude en quadrature (QAM) Modulation discrète à porteuses multiples (DMT) Le principe de la modulation multi-porteuses est de transmettre les bits d information en parallèle sur un nombre important de porteuses (tons). Chaque porteuse est modulée en QAM. La fréquence des porteuses est un multiple d une fréquence fixe. Exemple : en ADSL, ADSL2, ADSL2plus, VDSL et VDSL2, les fréquences des porteuses sont des multiples de 4,3125 khz. Nota : sauf pour le profil 30a du VDSL2 où l espacement entre deux porteuses successives est de 8,625 khz. La densité spectrale de puissance émise est presque uniforme sur l ensemble des porteuses (pour un gabarit PSD plat, comme dans le cas de l ADSL). L ondulation de la PSD dans la bande passante (pass band ripple) est typiquement bornée à 4,5 db*. Le nombre de bits qui est alloué à chaque porteuse et son niveau de puissance émise sont déterminés par le récepteur (le modem d abonné pour la voie descendante et la carte de ligne pour la voie montante) durant l initialisation du système sur la base du rapport signal sur bruit (SNR) de la porteuse et du débit total souhaité puis communiqués à l émetteur. En fonctionnement, une adaptation de l allocation de bits ou une modification de la puissance émise par porteuse sont possibles pour compenser des changements des conditions de ligne, causés par une variation du bruit ou une dérive dans la fonction de transfert du câble (due par exemple à une variation de température). Ces adaptations en ligne n interrompent pas le flux de données. * Les standards ADSLx et VDSLx définissent un masque de PSD qui est 3,5 db au-dessus du gabarit. Le masque est une limite de PSD qui ne peut pas être dépassée. Le gabarit consiste en une PSD moyennée conforme au masque de PSD qui peut être utilisé dans des simulations de performances xdsl ou des études de compatibilité spectrale. La déviation de 3,5 db entre le masque et le gabarit permet un ajustement de l amplitude des porteuses et quelques variations (ripple) dans la fonction de transfert de la partie analogique (Analog Front End). La figure 15 représente de manière conceptuelle l allocation de bit dans un système DMT pour une paire torsadée. Densité de puissance spectrale (dbm /Hz) RTPC TN Exemple de porteuses non utilisées à cause des Séparation conditions de ligne de porteuse (4,3125 khz) 4 khz 26 khz 1,1 MHz Spectre utilisé pour la voie montante Spectre utilisé pour la voie descendante Porteuse modulée en QAM optimisée individuellement en fonction des conditions de ligne Densité spectrale optimisée par ton Fréquence Figure 15 Utilisation de la modulation DMT : spectre ADSL La figure 16 illustre l atténuation typique d une paire téléphonique (avec l effet passe-haut du transformateur de couplage) et sa distribution d information DMT associée (à droite). Les fréquences les plus élevées étant les plus atténuées sont celles qui transportent le moins d information. La figure 17 montre de manière conceptuelle un exemple avec un fort affaiblissement local causé par la présence d une dérivation passive sur la ligne de transmission, interférence radio (AM) et diaphonie. La distribution d information résultante suit le rapport signal sur bruit en allouant le plus d information aux fréquences du canal de transmission de meilleure qualité. Puissance de transmission par ton Atténuation Nombre de bits par ton Fréquence Fréquence Fréquence Figure 16 Paire téléphonique sans perturbation est strictement interdite. Editions T.I. TE

14 DSL : LE SUPPORT PHYSIQUE ET LES TECHNIQUES DE MODULATION Puissance de transmission par ton Atténuation Dérivation passive AM Diaphonie Nombre de bits par ton Fréquence Fréquence Fréquence Figure 17 Paire téléphonique avec dérivation passive, interférence radio et diaphonie Références bibliographiques [1] DSL Forum Press Release. DSL Global Surges past the 150 million subscriber mark. June 23 th (disponible sur [2] BELL (A.G.). Telephone Circuit. US Patent N o 244, 426, July 19 th (disponible sur [3] IDATE. The World Telecom Services Market 16 th Edition (January 2006). [4] GAGNAIRE (M.). Boucles d accès hauts débits. Dunod, Paris (2001). [5] CORNIL (J.-P.). Building an ADSL Modem The Basics. AACD 99 (March 23 rd -25 th 1999). [6] SPRUYT (P.), MIELANTS (M.) et BRAET (S.). ADSL and VDSL : The Copper Highway. Electronics / Communications HF, 1, p (1998). [7] SPRUYT (P.) et VAN DER PLAS (G.). Evolution from ADSL to VDSL : The Technological Challenges. Proceedings of ISS 97, p (September 1997). [8] SPRUYT (P.) et BRAET (S.). Solving the Issue of Radio Interference when Deploying Digital Subscriber Lines. Network & Optical Communications Conference, NOC 97, p [9] ITU-T Recommendation G (02/2006) Very high speed digital subscriber line transceivers 2 (VDSL2). [10] L évolution du cœur de réseau des opérateurs fixes. ARCEP, Janvier (disponible sur [11] JACOB (J.B.) et PENN (C.). Commutation téléphonique. Autocommutateurs des réseaux publics. Techniques de l Ingénieur [TE 7 580] (1995). [12] Consultation sur le projet des règles employées pour l application des méthodes d évaluation du coût du Service Universel mentionnées dans les articles R à R et R du code des postes et communications électroniques, ARCEP, Avril (disponible sur [13] DUTHILLEUL (F.). Les réseaux optiques passifs. Techniques de l Ingénieur [TE 7 119] (2001). [14] ETSI ETR 80 (07/1993), Transmission and Multiplexing (TM); Integrated Services Digital Network (ISDN) basic rate access; Digital transmission system on metallic local lines. TE est strictement interdite. Editions T.I.