Rappel Protocole IP, numérisation de la voix et modulation

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1 Rappel Protocole IP, numérisation de la voix et modulation 1.1. Généralités Le terme générique VoIP (Voice Over Internet Protocole) désigne toutes les solutions permettant le transport de la parole sur un réseau IP. On peut distinguer : La voix sur IP : transport de la parole sur un réseau IP de type privé (intranet/extranet). La téléphonie sur IP : en plus de la parole, des fonctions téléphoniques (signalisation, fax, multi appel) sur IP sont rajoutées. Il existe Trois grandes familles de Voix sur IP : De PC à PC : Cela nécessite que les deux interlocuteurs soient équipés d ordinateurs et dialoguent en utilisant de simples applications (NetMeeting, Skype) utilisant pour cela un micro et des hauts parleurs. Ce genre de communication est gratuit à l exception faite du coût du logiciel. De PC à téléphone (ou vice-versa) : Cela nécessite la mise en œuvre d une passerelle soit au départ de l appel soit à l arrivée afin de faire transiter la communication d un réseau IP à un réseau téléphonique. L appel est taxé uniquement pour la traversée du réseau téléphonique. Ainsi, plus la proportion du segment IP est grande, plus l économie réalisée sera importante. De téléphone à téléphone : Lorsque l appelant et l appelé sont tous les deux sur téléphone, le réseau de transport devient transparent, cela nécessite la mise en œuvre de plusieurs passerelles. La tarification dépend de l opérateur, s il s agit d un réseau privé Rappel sur le protocole IP Chapitre Présentation IP est un protocole qui se charge de l'acheminement des paquets pour tous les autres protocoles de la famille TCP/IP. Le protocole IP travaille en mode non connecté, les paquets sont acheminés de manière autonome (datagrammes), sans garantie de livraison Caractéristique de l IP Le protocole IP de la couche Internet est caractérisé comme suit : Le protocole IP, IPv4, est la version du protocole IP utilisée à grande échelle. Le protocole IP est limité aux fonctions nécessaires à l'acheminement d un paquet de bits depuis une source vers une destination via un ensemble de réseaux interconnectés. Il ne définit aucun mécanisme particulier pour augmenter la fiabilité des données de bout en bout ni pour contrôler le flux. Fonctionne en mode datagramme Les datagrammes sont acheminés de deux manières : Transparente : chaque datagramme est acheminé indépendamment des autres et comporte donc l adresse destination complète. Non fiable : tous les mécanismes de contrôle sont délégués aux niveaux supérieures. 2011/2012 1

2 Réseau IP Le réseau IP est schématisé dans une version simplifiée par la figure 1.1. Figure 1.1. Réseau IP 1.3. Les techniques de commutation La commutation est une fonctionnalité permettant de réaliser des liaisons temporaires entre l émetteur et le récepteur à travers un réseau. Elle est nécessaire lorsque la communication emprunte plusieurs liaisons successives. Les nœuds intermédiaires associent une liaison entrante à une liaison sortante pendant un temps fini. Elle nécessité que les deux liaisons soient libres pour faire la commutation. 2011/2012 2

3 La commutation de circuits C est un procédé analogique. L ensemble des liaisons utilisées pour une communication est réservé pendant toute la durée de communication. Il n y a pas d attente sur les nœuds intermédiaires. Exemple : téléphone, Internet via RTC La commutation de messages Procédé numérique. Une liaison intermédiaire n est réservée que pendant la durée de la transmission du message. D autres messages peuvent être véhiculés sur ces liaisons lors de la communication. Le message doit arriver en totalité sur le nœud intermédiaire pour qu il puisse être transféré vers le nœud suivant La commutation de paquets Procédé numérique ayant le même principe que la commutation des messages : le message est divisé en un ensemble de paquets de petite taille. Dès qu un paquet arrive sur le nœud intermédiaire, il peut être transféré vers le nœud suivant. La taille des paquets est adaptée à la transmission 1.4. La numérisation de la voix Les trois opérations successives nécessaires à la numérisation de la parole, qu elle soit téléphonique ou non, sont l échantillonnage, la quantification et le codage Échantillonnage Consiste à prendre des points du signal analogique au fur et à mesure qu il se déroule. Il est évident que plus la bande passante est importante, plus il faut prendre d échantillons par seconde. C est le théorème d échantillonnage qui donne la solution : il faut échantillonner à une valeur égale à au moins deux fois la fréquence maximale de la bande passante. Pour une bande passante de Hz, correspondant à la bande des 300 à Hz, il faut échantillonner au moins fois par seconde. Si la bande passante est de Hz, il faut au moins échantillons par seconde. On comprend ainsi pourquoi la bande passante de la téléphonie est limitée. Figure 1.2. Echantillonnage 2011/2012 3

4 Quantification Consiste à représenter un échantillon par une valeur numérique au moyen d une loi de correspondance. Cette phase consiste à trouver une loi de correspondance telle que la valeur des signaux ait le plus de signification possible. Cette quantification détermine la justesse avec laquelle le codage peut s effectuer. Figure 1.3. Quantification Codage Consiste à donner une valeur numérique aux échantillons. Ce sont ces valeurs qui sont transportées dans les paquets. Dans l exemple précédent, si l on souhaite déterminer 128 intervalles, il faut choisir 7 bits pour le codage Importance de la numérisation Figure 1.4. Codage Les paramètres de la numérisation (fréquence d échantillonnage, échelle de quantification, technique de codage utilisée) ont une grande influence sur la qualité du signal transmis et sur le débit nécessaire pour le transmettre. 2011/2012 4

5 1.5. Le multiplexage Partage d une même liaison entre plusieurs communications simultanées. Permet d utiliser peu de ressources pour plusieurs utilisateurs. (a) FDMA (b) TDMA (c) TDMA/FDMA Figure 1.5. Multiplexage temporel et fréquentiel Le multiplexage fréquentiel (FDMA) C est la technique la plus ancienne qui était la seule lorsque le téléphone était purement analogique. A chaque interlocuteur, ou chaque message, est alloué une bande de fréquence. En pratique le message est utilisé pour moduler (à l origine en amplitude, parfois avec suppression de porteuse) une fréquence porteuse. Les différentes porteuses ainsi modulées sont juxtaposées et l ensemble transmis sur le canal Le multiplexage temporel (TDMA) Le multiplexage temporel est un mode de multiplexage permettant de transmettre plusieurs signaux sur un seul canal. Il s agit du multiplexage temporel, dont le principe est de découper le temps disponible entre les différentes connexions (utilisateurs). Par ce moyen, une fréquence peut être utilisée par plusieurs abonnés simultanément Multiplexage mixte : combiner le FDMA et TDMA (FTDMA) Chaque correspondant ou message occupe la totalité de la bande mais pendant un temps très court. C est la technique retenue pour le système MIC. Les échantillons issus d un message sont intercalés avec ceux des autres, un tri se fait à la réception. La ressource spectrale étant rare, les deux techniques sont généralement combinées. La bande totale est partagée en plusieurs sous bandes autour de porteuses, et chaque porteuse est partagée en temps entre plusieurs utilisateurs. Exemple : Modulation par Impulsions Codées ou MIC Chaque voie est modulée numériquement (Modulation par Impulsions Codées ou MIC). Les impulsions s'intercalent les unes à la suite des autres dans l'ordre des voies pour former une trame. Exemple : GSM : une voie ou "slot" = 0,5769 ms, une trame = 8 slots, soit 4,6152 ms. 2011/2012 5

6 Figure 1.6. Signal MIC Le multiplexage peut être : Statique : Les accès sont réservés à l avance et sont renouvelés périodiquement. Difficulté d ajouter un nouvel utilisateur. Allocation du canal même en cas de non utilisation (machine éteinte). Dynamique : Le multiplexage est adaptatif en fonction de l offre et la demande sur le canal. Le nombre de slots alloués varie en fonction du temps. Nécessité d une méthode d accès (MAC) centralisée ou distribuée pour gérer le multiplexage. Risque de collision. Plus complexe à gérer La modulation La modulation et la démodulation sont une étape dans la communication d'une information entre deux utilisateurs. Par exemple, pour faire communiquer deux utilisateurs de courriels par une ligne téléphonique, des logiciels, un ordinateur, des protocoles, un modulateur et un démodulateur sont nécessaires. La ligne téléphonique est le canal de transmission, sa bande passante est réduite, il est affecté d'atténuation et de distorsions. La modulation convertit les informations binaires issues des protocoles et des logiciels, en tension et courant dans la ligne. Le type de modulation employé doit être adapté d'une part au signal (dans ce cas numérique), aux performances demandées (taux d'erreur), et aux caractéristiques de la ligne. La modulation permet donc de translater le spectre du message dans un domaine de fréquences qui est plus adapté au moyen de propagation et d'assurer après démodulation la qualité requise par les autres couches du système. 2011/2012 6

7 Modulation analogique Le but des modulations analogiques est d'assurer la qualité suffisante de transmission d'une information analogique (voix, musique, image) dans les limites du canal utilisé et de l'application. Exemple : modulation d amplitude (AM), de fréquence (FM) ou de phase (PM) Modulation numérique Figure 1.7. Modulation analogique AM et FM Le but des modulations numériques est d'assurer un débit maximum de données binaires, avec un taux d'erreur acceptable par les protocoles et correcteurs amont et aval. Dans l'empilement des protocoles OSI (architecture standard des télécommunications numériques), la modulation est l'élément principal de la couche physique. Exemple : ASK ; FSK et PSK. Figure 1.8. Modulation numérique ASK, FSK et PSK Un modem est un ensemble modulateur et démodulateur combiné permettant une liaison bidirectionnelle. 2011/2012 7

8 1.7. Mesure de la qualité de la voix Echelle MO : La première approche pour mesurer la qualité d'une restitution sonore est de faire appel à un panel d observateurs qui va l'évaluer. C'est le principe qui sous-tend la méthode MOS (Mean Opinion Score). Cette technique est issue de la téléphonie analogique. C'est une mesure subjective. Elle souffre de plusieurs inconvénients : elle est chère, elle est lente, elle ne permet pas d'effectuer des mesures en masse. Les deux méthodes suivantes ont pour but de remédier à ces inconvénients. E-Model : Le E-Model consiste à effectuer des mesures réseau sur les qualités objectives directement à partir des trames réseau (délais, gigue ). Il a été standardisé par l'uit. On complète ces données avec des informations issues d'une table d'évaluation des codecs. On obtient ainsi une note R comprise entre 0 et 100. Cette mesure est entièrement automatisable et peut aussi servir à effectuer de la surveillance. PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) : Son but était de proposer un modèle objectif, basé sur le modèle psycho-acoustique humain. Il effectue une mesure comparative entre deux informations : celle injectée à une extrémité et la même information recueillie à l'autre extrémité après avoir traversé le système étudié. Après traitement, le PESQ restitue ses résultats sur une échelle MOS. 2011/2012 8

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