TECHNIQUES DE TRANSMISSION

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1 TECHNIQUES DE TRANSMISSION Pr. Emmanuel TONYE École Nationale Supérieure Polytechnique Université de Yaoundé I tonye_dd@yahoo.fr septembre

2 Bibliographie Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage 6. Conclusion septembre

3 BIBLIOGRAPHIE A.Tanenbaum, Réseaux, InterEditions, A. Glavieux, M. Joindot, Communications numériques, Masson, septembre

4 Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage 6. Conclusion Application: Modulation et canal à trajets multiples septembre

5 (1.1) INTRODUCTION Les supports de communication présentent les principaux défauts suivants: affaiblissement, déphasage, bruits. Les défauts du support limitent la transmission (débit et étendue) Les techniques de transmission permettent d adapter le signal aux caractéristiques du support On distingue deux grandes techniques de transmission : - transposition en fréquence (modulation en fréquence, amplitude et phase) - en bande de base : codes de transmission de données septembre

6 (1.2) TECHNIQUES DE TRANSMISSION ET MODELE OSI Les techniques de transmission font partie des protocoles de la couches physique du modèle OSI septembre

7 (1.3) TECHNIQUES DE TRANSMISSION ET TECHNIQUES VOISINES Les techniques de transmission ne sont pas: Les différents types de communication : o Simple (unidirectionnelle) o Half-duplex (bidirectionnelle à l'alternat) o Full-duplex (bidirectionnelle simultanée). Les différents types de transmission : o En série : les bits sont envoyés les uns derrière les autres de manière synchrone (négociation d horloge) ou asynchrone (start et stop). o En parallèle : Les bits d'un même caractère sont envoyés en même temps chacun sur un fil distinct, mais cela pose des problèmes de synchronisation et n'est utilisé que sur de courtes distances. septembre

8 (1.3) TECHNIQUES DE TRANSMISSION ET TECHNIQUES VOISINES Les techniques de transmission ne sont pas: Les méthodes d accès (Ethernet, Token Ring, FFDI, ATM, DQDB, ) mais peuvent y être appliquées. Les méthodes de diffusion (multipoint, multicast, etc.) Les codes applicatifs (appellés source coding ) : d embrouillage de protection contre les erreurs (détection et auto-correction) de compression (LZW, RLE, GZ, etc.) de représentation (ASCII, DCB, complément à 2, etc.) de chiffrement (MC5, PGP, etc.) d authentification de hachage ( hash code ) etc. septembre

9 Sommaire Bibliographie 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation Application: Modulation et canal à trajets multiples 1. Le codage 2. Conclusion septembre

10 (2.1) Phénomènes caractérisant les supports de communication Affaiblissement ou Atténuation L analyse temporelle et fréquentielle du signal (spectre fréquentiel) permet d apprécier que: l affaiblissement croît plus vite que la distance; et varie en fonction de la fréquence. L utilisation du support est pertinente dans la plage de fréquence où l affaiblissement est constant (bande passante du support). septembre

11 (2.2) Phénomènes caractérisant les supports de communication Déphasage Comme pour l affaiblissement, l analyse temporelle et fréquentielle du signal (spectre fréquentiel) permet d apprécier que: la phase du signal est déformée; le déphasage varie en fonction de la fréquence. L utilisation du support est pertinente dans la plage de fréquence où le déphasage est constant (temps de propagation de groupe très faible). septembre

12 (2.3) Phénomènes caractérisant les supports de communication Phénomènes perturbateurs Bruit blanc : agitation thermique (faible puissance et sur une large plage de fréquences). Bruit impulsif : organes électromécaniques, microcoupures (forte puissance, durée faible et peu présent dans les réseaux numériques). Diaphonie : couplage parasite entre lignes voisines ( influence électromagnétique, placement des câbles, défaut de blindage, et peu présent dans dans les lignes à fibre optique). Echo : réflexion du signal due à une désadaptation d impédance (le suppresseur d écho est nécessaire dans les liaisons téléphoniques 4 fils/2 fils) Trajets multiples dans un canal radio: les trajets multiples sont dus aux différents chemins possibles pouvant être empruntés par le faisceau entre un émetteur et un récepteur. Ces chemins dépendent du relief environnant septembre

13 (2.3) Phénomènes caractérisant les supports de communication Facteurs pouvant affecter le signal 1. La propagation de signaux réseau : Temps que met un bit ; c'est-àdire une impulsion à se déplacer dans le média. Il est impératif que la propagation soit homogène dans le réseau. 2. L atténuation du signal réseau : Perte de la force du signal. Ce problème est limitable par un bon choix des médias réseaux utilisés. 3. La réflexion réseau : Retour d énergie causé par le passage des impulsions dans le média. Si ce retour est trop fort, il peut perturber le signal des impulsions suivantes. Le système binaires et donc à 2 états peut être perturbé par ces énergies supplémentaires se déplaçant dans le média. 4. Le bruit : Ajout indésirable à un signal. Des sources d énergie situées à proximité du média fournissent un supplément d énergie venant perturber le signal. o Diaphonie : bruit ajouté au signal d origine d un conducteur par l action du champ magnétique provenant d un autre conducteur o Paradiaphonie : diaphonie causée par un conducteur interne au câble o Le bruit peut être causé par des sources d alimentations externes, des variations thermiques, des interférences électromagnétiques ou encore des interférences de radio fréquences. septembre

14 (2.3) Phénomènes caractérisant les supports de communication Facteurs pouvant affecter le signal 1. La dispersion : Etalement des impulsions dans le temps. Si la dispersion est trop forte, le signal d un bit peut recouper le signal du précédent ou du suivant. La durée d une impulsion est fixe, la dispersion correspond à une modification de cette durée au fur et à mesure que le signal se propage dans le média. 2. La gigue : Les systèmes numériques sont synchronisés, tout est réglé par des impulsions d horloge. Si les horloges de la source et du destinataire ne sont pas synchronisées, on obtient alors une gigue de synchronisation. 3. La latence : Retard de transmission. Principalement dû au déplacement du signal dans le média et à la présence de composants électroniques entre la source et la destination. 4. Les collisions : Se produisent lorsque 2 ordinateurs utilisant le même segment de réseau émettent en même temps. Les impulsions se mélange, détruisant alors les données. septembre

15 (2.4) Phénomènes caractérisant les supports de communication Limitation du débit La formule de Shannon [1948] donne le débit théorique maximum d un support soumis à du bruit. où D est exprimé en bit/s; W, exprimé en Hertz (Hz), représente la bande passante du support; et Ps/Pb est obtenu à l aide du rapport signal sur bruit exprimé en décibel. septembre

16 Sommaire Bibliographie 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation Application: Modulation et canal à trajets multiples 1. Le codage 2. Conclusion septembre

17 (3.1) Principaux éléments intervenant dans la transmission L ETCD, équipement terminal de communication de données chargé d adapter les données à transmettre au support de communication. L ETTD, équipement terminal de traitement de données (ex. l ordinateur). Le support de transmission. septembre

18 (3.2) Fonctions de l ETCD le codage : bits symboles la modulation : symboles signal Les symboles peuvent être une fonction continue ou une suite de valeurs septembre

19 Sommaire Bibliographie 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation Les fondamentaux Modulation et canal à trajets multiples Modulation dans les fibres optiques Techniques xdsl 1. Le codage 2. Conclusion septembre

20 (4.1) Modulation Trois types de modulation par transposition en fréquence: modulation d amplitude (lorsque les variations portent sur A) modulation de fréquence (lorsque les variations portent sur f) modulation de phase (lorsque les variations portent sur Φ) La transposition en fréquence autorise le multiplexage temporelle. septembre

21 (4.2) Modulation et types de transmission La transmission est dite analogique, lorsqu on réalise une transformation d une fonction continue en une autre fonction continue. Cette technique permet notamment: une bonne protection contre le bruit, une possibilité de multiplexage fréquentiel et une optimisation de l utilisation du support La transmission est dite en bande de base lorsque le signal ne subit pas (ou peu) de transposition en fréquence. Dans ce cas, le signal présente souvent un aspect rectangulaire car la fonction de modulation simple utilisée est rectangulaire. La transmission est dite numérique lorsqu une fonction discrète (suite binaire) est transformée en fonction continue et réciproquement. Cette technique est appropriée uniquement sur des supports ne nécessitant pas de transposition en fréquence. Elle est utilisée sur des supports à grande bande passante ou des distances limitées (de l ordre de qq km). septembre

22 (4.3) Combinaisons nature de l information/type de transmission Transmission analogique d informations analogiques : émission de la parole sur le réseau téléphonique, du son sur les ondes radio, d images de télévision sur le réseau de télédiffusion,... Transmission analogique d informations numériques : transmission de données informatiques sur des lignes téléphoniques, par satellite,... Transmission numérique d informations numériques : transmission de données informatiques en bande de base sur fibres optiques,... Transmission numérique d informations analogiques : transmission de la parole, du son ou d images en bande de base dans les réseaux de radiocommunication (GSM, GPRS, UMTS, CDMA2000, ) septembre

23 (4.4) Débit binaire et rapidité de modulation Le débit binaire D d une voie de données est le nombre maximum de bits di transmis par seconde sur cette voie. La rapidité de modulation R (exprimée en bauds) mesure le nombre maximum de symboles (élément de modulation émis en bande de base) transmis par seconde. Généralement, 1/Δ est un multiple de 1/T et le nombre de niveaux N est choisi de telle sorte que a(t) et d(t) aient le même débit d information. On a alors : septembre

24 (4.5) Modulation d amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) Signal : s(t) = A(t) cos(2 π fo t - Φo) avec A(t) = K + a(t) et a(t) {-a,+a}... ou a(t) [-a,+a]! Technique simple mais sensible au bruit. septembre

25 (4.6) Modulation d amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) Modulation d amplitude (2 états) Constellation : A2 A1 Amplitude Correspondance : Amplitude Signal Un symbole A1 0 septembre A2 1

26 (4.7) Modulation d amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) Modulation d amplitude 2 états Chaque état du signal correspond à la transmission d un bit. La conséquence est que la vitesse de modulation = débit binaire. septembre

27 (4.8) Modulation d amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) Modulation d amplitude 4 états Constellation : A0 A4 A1 Correspondance : Amplitude A1 A2 A3 A4 Signal septembre

28 (4.9) Modulation d amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) Modulation d amplitude 4 états Chaque état du signal correspond à la transmission de deux bits. La conséquence est que la vitesse de modulation (bauds) = 1/2*débit binaire (bits/s). Un baud n'est donc pas forcément égal à 1 bit/seconde, il ne l'est même quasiment jamais en pratique et un modem 56 kb/s n'est certes pas un modem bauds septembre

29 (4.10) Modulation de fréquence FSK (Frequency Shift Keying) Signal : s(t) = A0 cos(2 π f(t) t - Φo) avec f(t) = f0 + a(t) et a(t) {-w,+w}... ou a(t) [-w,+w]! Difficulté à maintenir la phase. Utilisée par la technique de multiplexage fréquentiel. septembre

30 (4.11) Modulation de fréquence FSK (Frequency Shift Keying) Modulation de fréquence (2 états) : Constellation : f2 f1 Fréquence Correspondance : Fréquence f1 f2 Signal 0 1 septembre

31 (4.12) Modulation de phase PSK (Phase Shift Keying) Signal : s(t) = A0 cos(2 π fo t - Φ(t)) avec Φ(t) = Φ0 + a(t) et a(t) {Πk/n} pour n symboles... ou a(t) [-Π,+Π]! septembre

32 (4.13) Modulation complexe Amplitude de phase Le diagramme est le suivant : Ceci est dû au bruit. Ce type de modulation est très résistant au bruit. septembre

33 (4.14a) Modulation complexe Amplitude et phase Modulation en quadrature (MAQ) (QPSK ou QAM Quadrature phase Shift Keying or Quadrature Amplitude Modulation) septembre

34 (4.14b) Modulation complexe Exemple de signaux orthogonaux septembre

35 (4.14c) Modulation complexe Variantes de la modulation PSK - MPSK R s est la rapidité de modulation septembre

36 (4.14d) Modulation complexe Offset QPSK septembre

37 (4.14d) Modulation complexe QPSK et modulateur IQ septembre

38 (4.14e) Modulation complexe Représentation des densités spectrales de puissance Minimum Shift Keying septembre

39 (4.14e) Modulation complexe Modulations GMSK et 8PSK La modulation GMSK agit comme la modulation OQPSK septembre

40 (4.14e) Modulation complexe Synoptique de simulation avec le modèle OFDM septembre

41 (4.15) Modulation complexe Amplitude et phase On peut compliquer, au risque de commettre beaucoup d erreur : 16 états Débit binaire = 4 (2 4 )* vitesse de modulation septembre

42 (4.16) Modulation hybride QPSK ou QAM 64 (2 6 ), 6 bits par symbole QPSK ou QAM 128 (2 7 ), 7 bits par symbole Débit binaire = 6 * vitesse de modulation Débit binaire = 7 * vitesse de modulation septembre

43 Modules de simulation septembre

44 Sommaire Bibliographie 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation Les fondamentaux Modulation et canal à trajets multiples Modulation dans les fibres optiques Techniques xdsl 1. Le codage 2. Conclusion septembre

45 (4.17a)Canal à trajets multiples Onde reflechie (NLOS) Visibilité directe (LOS) Relais hertzien septembre

46 (4.17) Modulation dans un Schéma de la transmission Canal à trajets multiples Canal à trajets multiples X Propagation Egalisation Modulation Porteuse Démodulation et correction d erreurs Viterbi ou max vraisemblance septembre

47 (4.18) Simulation canal de trajets multiples τ 1 a 0 τ 2 a 1 τ 3 a 2 + τ 4 a 3 τ 5 a 4 τ 6 a 5 Délai par rapport au chemin le plus court a i <1 (Atténuation) septembre

48 (4.19) Simulation canal de trajets multiples Exemple : Canal Délai atténuation 1 2 1T 3T Après calculs 3 4T 0.8 Longueur maximale du canal = 4T Calculs des cases correspondant aux canaux : Canal 1 (T) Canal 2 (3T) Canal 3 (4T) septembre

49 (4.20) Simulation canal de trajets multiples Illustration : Canal Délai atténuation Canal 1 (T) Canal 2 (3T) Canal 3 (4T) T 3T 4T Arrivée données S0 Sortie = 0.5*S0 S1 S0 Sortie = 0.5*S1 S2 S1 S0 S3 S2 S1 S0 S4 S3 S2 S1 Sortie = 0.5*S2+0.6*S0 Sortie = 0.5*S3+0.6*S1+0.8*S0 Sortie = 0.5*S4+0.6*S2+0.8*S1 Formule générale : Sortie = 0.5*Case1+0.6*Case3+0.8*Case4 septembre

50 (4.21) Simulation canal de trajets multiples ALGORITHME 1- définir la longueur du canal en termes de dispersion par rapport aux délais. 2- définir le nombre de trajets possibles. 3- pour chaque trajet Définir son délai par choix d un instant aléatoire selon la distribution stochastique retenue. En général, les chemins de plus grand retard sont les plus atténués, mais ce n est pas toujours le cas. En conséquence, nous allons considérer une distribution de probabilité autour d une valeur k (avec pour valeur maximale en k) et déterminer de manière aléatoire la valeur de a i autour de k. k étant la valeur exacte de l atténuation si on ne considérait que les délais d arrivée. 5- Déterminer la longueur maximale du canal de la mémoire tampon en fonction de la longueur du canal. 6- Calculer pour chaque trajet la case correspondante dans le tampon, fonction du délai correspondant. 8- En déduire l expression de la combinaison linéaire du calcul du résultat. septembre

51 (4.22) Environnement de développement L exécutable est généré sous JBuilder 8. Il nécessite la machine virtuelle Java pour tourner. Encapsuler l exécutable directement avec la machine virtuelle Java nécessiterait beaucoup d espace (plus de 40 Mo). Il est donc nécessaire d avoir la machine virtuelle java installé avant d utiliser l exécutable. septembre

52 (4.23) MODULATION D AMPLITUDE Visibilité directe On entre les données binaires puis on exécute la modulation d amplitude dans canal en visibilité directe pour avoir le résultat suivant : septembre

53 (4.24) MODULATION D AMPLITUDE Visibilité directe septembre

54 (4.25) MODULATION D AMPLITUDE Canal à trajets multiples septembre

55 (4.26) Modulation de fréquence Visibilité directe septembre

56 (4.27) Modulation de fréquence Canal à trajets multiples septembre

57 (4.28) Modulation d amplitude et fréquence Visibilité directe septembre

58 (4.29) Modulation de phase Canal à trajets multiples septembre

59 (4.30) Modulation d amplitude et fréquence Visibilité directe septembre

60 (4.31) Modulation d amplitude et fréquence Canal à trajets multiples septembre

61 (4.32) Modulation de fréquence et phase Visibilité directe septembre

62 (4.33) Modulation de fréquence et phase canal à trajets multiples septembre

63 (4.34) Modulation d amplitude, fréquence et phase Visibilité directe septembre

64 (4.35) Modulation d amplitude, fréquence et phase Canal à trajets multiples septembre

65 (4.36) En guise de conclusion sur la modulation et le canal à trajets multiples 1. En faisant varier la longueur du canal on peut remarquer que l altération du signal croit avec cette longueur. 2. De même, l altération croit avec le nombre de trajets. septembre

66 (4.37) Exemple Modulation dans un canal à trajets multiples Modulation GMSK Schéma synoptique Densité spectrale de puissance et le facteur Reuse septembre

67 (4.38) Modulation dans un canal à trajets multiples Processus de Modulation dans un lien montant d'accès CDMA septembre

68 (4.38) Modulation dans un canal à trajets multiples Processus de Modulation dans un lien descendant d'accès CDMA septembre

69 Sommaire Bibliographie 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation Les fondamentaux Modulation et canal à trajets multiples Modulation dans les fibres optiques Techniques xdsl 1. Le codage 2. Conclusion septembre

70 (4.37) Techniques de modulation et les fibres optiques Introduction Les techniques de modulation pour les transmission dans les fibres optiques réalisent une conversion des données électriques en données optiques. Il existe principalement 2 techniques : la modulation directe (généralement sous forme de modulation d amplitude) et la modulation externe septembre

71 (4.38) Techniques de modulation dans les fibres optiques Modulation directe - Principe La modulation directe est le résultat de la modulation du courant qui traverse les diodes lasers et entraîne directement la modulation en intensité de la lumière émise. Ainsi, il suffit d'inscrire les données sur l'alimentation du laser. septembre

72 (4.39) Techniques de modulation dans les fibres optiques Modulation directe Composants utilisés La modulation directe requiert une source optique (le laser), un générateur de courant et un driver. Le premier va émettre à un débit donné une séquence de données, expression de l'information à transmettre. Le rôle du driver est de commander la source optique au niveau des puissances émises (en fixant les valeurs du courant d'alimentation). Pour cela, il modifie, transforme les niveaux du courant issu du générateur. septembre

73 (4.40) Techniques de modulation dans les fibres optiques Modulation directe Limites La modulation directe connaît beaucoup d'avantages notamment le faible coût de mise en oeuvre. Mais elle comporte aussi des limites liées à l utilisation des lasers. Leur temps de réaction, les oscillations, le bruit créé font que la modulation directe engendre pour les hauts et très hauts débits certaines dégradations sur le signal optique modulé. septembre

74 (4.41) Techniques de modulation dans les fibres optiques Modulation externe Principe La modulation externe consiste à écrire les données électriques sur un signal optique continu. Elle est obtenue en modulant directement le faisceau lumineux en sortie du laser et non plus le courant d'alimentation à l'entrée du laser. Ainsi les défauts de la modulation directe qui incombent au laser ne seront plus présents sur le signal optique. Modulation directe Modulation externe septembre

75 (4.42) Techniques de modulation dans les fibres optiques En guise de conclusion La modulation directe, plus simple et moins coûteuse est encore très utilisée si les données sont transmises à un débit de quelques gigabits/s, selon la qualité du laser. Mais au-delà de 5 Gbits/s, la modulation externe est indispensable pour maintenir une qualité de transmission correcte. Les différents moyens de modulation précédemment vus s'appliquent aussi en optique: modulation d'amplitude, modulation de fréquence et modulation de phase. septembre

76 Sommaire Bibliographie 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation Les fondamentaux Modulation et canal à trajets multiples Modulation dans les fibres optiques Techniques xdsl 1. Le codage 2. Conclusion septembre

77 (4.43) Techniques de modulation avancées Techniques xdsl - Concept Les techniques xdsl visent à accroître les débits sur paire torsadée dans les réseaux de télécommunications. Ces techniques de modulation visent à amener les services de réseaux hauts débits jusqu au domicile de l usager. Par DSL on entend un équipement et non une ligne de communication. La finalité de ces techniques est de mieux exploiter les lignes déjà installées sans avoir à les remplacer. Ce sont donc les équipements terminaux qui sont concernés par les techniques DSL. Trois techniques de modulation y en sont normalisées: DMT, CAP, DWMT septembre

78 (4.44) Techniques de modulation avancées xdsl Modulation DMT C est DMT (Discrete MultiTone) qui a été choisie comme technique de modulation pour ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line). Le principe de DMT est de diviser la bande passante disponible en un grand nombre de sous-bandes distinctes et de placer le signal digital sur des porteuses analogiques. Le spectre utilisé est compris entre 26 khz et 1,1 MHz. A chaque canal est attribuée une bande de 4,3 Khz. DMT est également unetehnique de modulation pour VDSL (Very high data rate Digital Subscriber Line). septembre

79 (4.45) Techniques de modulation avancées xdsl Modulation DMT La division de la bande passante en un ensemble de sous-canaux indépendants est la clé de la performance obtenue par DMT. La mesure de la qualité de chaque sous-canal détermine le nombre de bits qui lui sera alloué. Ce procédé a pour but d adapter le taux de charge de chaque canal en fonction des ses performances. Un équipement ADSL doit être en mesure de moduler ou démoduler jusqu à 256 porteuses. Le débit maximum théorique d un tel système est de 15 bit/s x 4000 Hz = 60 kbit/s par canal. En fait, tel qu il a été normalisé par ADSL, le premier canal est en réalité celui du téléphone, les canaux 2 à 6 constituent la bande de garde entre la voix et les données. Le canal montant occupe 32 sous-canaux à partir du canal 7. Le canal descendant occupe 250 sous-canaux. septembre

80 (4.46) Techniques de modulation avancées xdsl Modulation CAP La modulation CAP (Carrierless Amplitude Phase) est une technique proche de QAM dont elle reprend les principes de base. Elle utilise donc aussi bien la modulation de phase que la modulation d amplitude CAP est une technologie concurrente de DMT dans l offre xdsl. Elle n a pas été retenue par les organismes normalisateurs (ANSI, UIT) pour ADSL, mais reste sur les rangs pour VDSL. CAP utilise une bande de fréquence large mais sur des intervalles de temps courts. Pour un débit de 6 Mbit/s, il utilise 1088 kilobauds avec une constellation de 256 points sur une bande passante totale de 1,5 MHz. Constellation pour 64 - CAP On parle de N-CAP (2-CAP, 64-CAP, 512- CAP). L autre aspect adaptatif de CAP est sa possibilité de réduire ou augmenter la bande passante utilisée. La bande passante disponible est divisée là aussi en trois canaux par un multiplexage FDM. septembre

81 (4.46) Techniques de modulation avancées xdsl Modulation DWMT DWMT (Discrete Wavelet MultiTone ) est une modulation dont le principe de fonctionnement est proche de DMT. Elle s appuie sur une base mathématique (différente de DMT) qui est celle des transformées en ondelettes. Le codeur utilise une modulation réalisée par une transformée inverse rapide en ondelettes (IFWT : Inverse Fast Wavelet Transform). La démodulation est réalisée par une transformée rapide en ondelettes (FWT : Fast Wavelet Transform). DWMT est développé pour des produits à haut débit, symétriques ou asymétriques, de type VDSL. Grâce à cette technique, les sous-canaux peuvent avoir un espacement moitié moindre que celui nécessaire à DMT. Les performances promises par DWMT semble nettement supérieures à celles affichées par DMT. D avantage de travaux de recherche seront nécessaires pour réduire sa complexité et accroître les possibilités de son implémentation. septembre

82 (4.47) Techniques de modulation avancées En guise de conclusion DWMT et DMT sont des technologies proposant une meilleure utilisation de la bande passante disponible. L idée est d utiliser plusieurs canaux de transmission à bande étroite pour véhiculer en parallèle l information sur le média. Dans les deux cas, un multiplexage en fréquence (FDM) peut être utilisé pour répartir les sous-canaux sur la bande passante. La finalité de la technique mise en œuvre est toutefois différente. DWMT permet de véhiculer sur chaque canal des signaux totalement indépendants et qui peuvent être de format et de débit différents. Par exemple, de la voix encapsulée : dans des trames SDH (SDH : Synchronous Digital Hierarchy. Norme européenne pour l architecture des transmissions par fibre optique), des trames IP, de la vidéo dans ATM, etc. Le but est donc de combiner ensemble sur un seul support de transmission de multiples flux d informations. septembre

83 Bibliographie Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage Les fondamentaux Codes à deux niveaux Codes à multiples niveaux Codes à transformation de valence 6. Conclusion septembre

84 (5.1) Codage ou modulation en bande de base Le codeur transforme une suite {d k }k 0 initiale généralement binaire (de bits) en une suite codée {a k }k 0 (de symboles) généralement binaire ou ternaire. Le but du codage est d adapter la suite de bits à transmettre aux caractéristiques de la transmission. S il n y a pas de modulation par transposition en fréquence, le codage est dit en bande de base : la plage de fréquences utilisée par le signal issu de la suite codée est la même que celle de la suite initiale. dans ce cas, le modulation est faite d une fonction rectangulaire {a k }k 0 a(t) septembre

85 (5.2) Echantillonnage et codage Le processus de numérisation se décompose en trois étapes : - l échantillonnage : passage d un espace de temps continu à un espace de temps discret, -la quantification : passage d un espace de valeurs continu à un espace de valeurs discret, -le codage : chaque niveau quantifié de valeurs est codé sur un nombre déterminé de bits. La technique de base la plus connue est le MIC (Modulation par Impulsion et Codage) à 256 niveaux de quantification, ou en anglais PCM (Pulse Coding Modulation). Amplitude Code septembre

86 Emission (5.3) Codage de valence N En guise de comparaison septembre

87 Réception (5.3) Codage de valence N septembre

88 (5.4) Débit binaire et rapidité de modulation Le débit binaire D d une voie de données est le nombre maximum de bits d i transmis par seconde sur cette voie. La rapidité de modulation R (exprimée en bauds) mesure le nombre maximum de symboles (élément de modulation émis en bande de base) transmis par seconde. Généralement, 1/Δ est un multiple de 1/T et le nombre de niveaux N est choisi de telle sorte que a(t) et d(t) aient le même débit d information. On a alors : septembre

89 (5.5) Les principales qualités d un code largeur de sa plage de fréquences (la plus étroite possible) répartition fréquentielle de la puissance (peu de puissance aux faibles fréquences, aucune à la fréquence nulle) codage de l horloge (fréquence minimale des transitions) résistance au bruit (espacement des niveaux) complexité du codage (coût et vitesse de codage) dépendance à la polarité (facilité d installation) équilibrage des symboles mesure approximative de l influence du codage sur des bits successifs Ces critères permettent de comparer les différents codes septembre

90 (5.6) Les codes usuels utilisés en bande de base Les codes à deux niveaux : code RZ (Return to Zero) code NRZ (Non Return to Zero); NRZ-L (level) code NRZI (Non Return to Zero Invert); NRZ-M (Mark); NRZ-S (Space) code Manchester ou Code biphase code Manchester ou Code biphase différentiel code de Miller code CMI Code AMI Les codes à multiple niveaux : code MLT3 code bipolaire simple code bipolaire entrelacé d ordre 2 codes bipolaires à haute densité d ordre n (BHDn) codes bipolaires with n Zero substitution (BnZn) Les codes par blocs : code nb/mb code nb/mt septembre

91 Bibliographie Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage Les fondamentaux Codes à deux niveaux Codes à multiples niveaux Codes à transformation de valence 6. Conclusion septembre

92 (5.7) Code RZ (Return to Zero) Principe Le codage RZ fut le premier codage exploité grâce à sa facilité d utilisation et de réalisation. En effet, pour obtenir ce codage, il suffit de réaliser une opération logique ET (AND) entre l information à transmettre et le signal de l horloge. Par conséquent, si un 1 est présent il y aura alors le signal de l horloge en sortie (amplifié pour atteindre +V au maximum). Si par contre, il y a un 0 logique, alors le signal de sortie aura la valeur nulle (0V). Malgré la simplicité de codage, le code RZ n est plus guère utilisé. En effet, RZ signifie «retour à zéro», et le principale défaut de ce code est justement cette tension nulle. Puisqu une information est codée sur le niveau 0 Volt, le récepteur ne peut pas établir une différence entre le bit 0 et une coupure de transmission. septembre

93 (5.8) Code RZ (Return to Zero) Représentation mathématique Représentation Mathématique Principe du codage RZ septembre

94 (5.9) Code NRZ (Non Return to Zero) Principe Code simple, utilisé couramment entre l ordinateur et ses périphériques. Le codage NRZ est le moyen le plus simple de coder une information : il consiste tout simplement à transformer les 1 en +V et les 0 en V (V étant une Valeur de tension continue), et ce de manière synchrone. Lorsque le front montant de l horloge capte la présence d un 1 en entrée, le signal de sortie prend la valeur +V jusqu au front montant suivant Si l information suivante est un 0 alors le signal prendra la valeur V et ainsi de suite. Ces tensions matérialiseront ainsi l information binaire. Ce code ayant la particularité d être antipolaire (signal composé de deux tensions opposées +V et V) et non nul, le récepteur pourra déterminer ainsi la présence ou non du signal. Cependant, les longues séries de 1 ou de 0, entraînent un perte de synchronisation, le récepteur ne peut donc pas utiliser le signal pour récupérer l horloge. Il faut ainsi utiliser une ligne indépendante pour l horloge, ce qui limite l utilisation du codage NRZ aux courtes distances. septembre

95 (5.10) Code NRZ (Non Return to Zero) Représentation mathématique Représentation mathématique Principe du code NRZ septembre

96 (5.11) Code NRZ-L (level) Représentation mathématique du NRZ-L (Level) Ce code utilise une logique inversée de celle du NRZ autrement dit, l état 1 est traduit par une tension négative (-V) alors que l état 0 est lui converti en une valeur positive (+V). Ce codage est utilisé dans la RS-232, c est-à-dire dans les ports «COM»des PC. septembre

97 (5.12) Code NRZI (Non Return to Zero Invert) Principe Autre dénomination : NRZ-M ( Mark ). Utilisation : Fast Ethernet ( 100BaseFX ), FDDI. À la différence du codage NRZ, le codage NRZI n utilise pas directement le niveau, mais le changement de niveau. Ce principe, appelé le mode différentiel, convertit une information non plus en un niveau de tension constant, mais en un changement de niveau. On appelle «transition» ce changement d état. La transition correspond au bit 1 pour le codage NRZI ou codage NRZ-Mark (Mark signifie 1) et au bit 0 pour le codage NRZ-Space (Space signifie 0). Lorsque le front montant de l horloge détecte un 1 en entrée, le signal de sortie est alors inversé (d où NRZ-Inverted), et lorsque le front montant voit un 0, le signal ne subit aucun changement et garde la valeur précédente. septembre

98 (5.13) Code NRZI (Non Return to Zero Invert) Représentation mathématique Représentation mathématique Principe du code NRZI septembre

99 (5.14) Code NRZI (Non Return to Zero Invert) Avantages et inconvénients Ce code a de nombreux avantages : le signal de sortie n est jamais nul (0 Volt), ce qui permet la détection de la présence ou non du signal il utilise un courant de transmission faible il diminue les changements d états et par conséquent le taux d erreurs. Néanmoins, il n élimine pas les longues suites de 0 ou de 1, gênant la synchronisation du signal. Pour ne plus qu il y ait de déphasage entre l horloge récupérée par le récepteur et l horloge utilisée pour coder les informations, l idée était de provoquer une transition pour chaque état (0 et 1), le code Manchester est né. septembre

100 (5.15) Code Manchester, biphase_l(evel) Principe Autres dénominations : biphase, codage PE Utilisation : Ethernet 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseFL Dans le codage Manchester, l idée de base est de provoquer une transition du signal pour chaque bit transmis. Un 1 est représenté par le passage de +V à V, un 0 est représenté par le passage de -V à +V. septembre

101 (5.16) Code Manchester Réalisé par l opération logique XOR Pour obtenir le code Manchester, il suffit de réaliser l opération logique OU exclusif (XOR) entre l horloge et l information binaire à transcrire. Le signal de sortie aura dès lors la forme suivante : un front montant en T/2 ( T représentant la période de l horloge) pour un 1 logique et un front descendant en T/2 pour un 0. Ce code a donc deux transitions en 1 et en 0, qui se réalisent à T/2. septembre

102 Représentation mathématique (5.17) Code Manchester Représentation mathématique Principe du code Manchester septembre

103 (5.18) Code Manchester Avantages et inconvénients Avantages. La synchronisation des échanges entre émetteur et récepteur est toujours assurée, même lors de l envoi de longues séries de 0 ou de 1. Par ailleurs, un bit 0 ou 1 étant caractérisé par une transition du signal et non par un état comme dans les autres codages, il est très peu sensible aux erreurs de transmission. La présence de parasites peut endommager le signal et le rendre incompréhensible par le récepteur, mais ne peut pas transformer accidentellement un 0 en 1 ou inversement. Inconvénients : (i) le débit de transmission doit être deux fois plus élevé que pour un codage NRZ. Pour obtenir un débit de 1Gbit/s, il faudrait une fréquence de 1Ghz, ce qui est bien trop élevé pour être physiquement stable et entrainerait les phénomènes de paradiaphonie. (ii) L autre inconvénient est le câblage : une inversion de polarité entraîne une inversion des informations binaires. Ce pourquoi le code Manchester différentiel a été inventé. septembre

104 (5.19) Code Manchester différentiel Principe et représentation mathématique Autres dénominations : biphase différentiel, FSK, FM, biphase-m Utilisation : Token Ring Identique au code Manchester + indépendance de la polarité Principe : c est la présence ou l absence de transition au début de l intervalle du signal d horloge qui réalise le codage. Un 1 est codé par l absence de transition, un 0 est codé par une transition au début du cycle d horloge. Représentation mathématique septembre

105 (5.20) Code Manchester différentiel (Biphase différentiel, biphase_m(ark) ou biphase_s(pace)) Avantages et inconvénients Avantage : ce sont les transitions du signal et non pas ses états qui représentent les bits transmis, il est donc insensible aux inversions de fils dans le câblage Le codage présente le même inconvénient que le codage Manchester : nécessite une fréquence égale à celle du débit utile. septembre

106 (5.21) Code de Miller Principe et représentation mathématique Autres dénominations : Modified FM, DM (Delay Modulation) Principe. Le codage de Miller est assez proche du code Manchester : ce code a deux transitions (en 1 et en 0), l état 1 est codé sur une alternance de fronts (montant, descendant) et le 0 est codé sur une alternance de niveaux ( +V, -V), seulement si plusieurs 0 se suivent. On peut le construire à partir du code biphase en supprimant une transition sur deux. Représentation mathématique septembre

107 (5.22) Code de Miller Cette technique diminue le nombre de transitions en effectuant une transition (de haut en bas ou l'inverse) au milieu de l'intervalle pour coder un 1 et en n'effectuant pas de transition pour un 0 suivi d'un 1. Une transition est effectuée en fin d'intervalle pour un 0 suivi d'un autre 0. septembre

108 (5.23) Code CMI (Coded Mark Inversion) Principe. Le codage CMI ressemble au codage de Miller. Cependant, ce code utilise un seule transition, pour le bit 0 seulement lors qu une suite de plusieurs 0 apparaît. Ainsi, le 1 logique est transformé en un front montant (-V à +V) en T/2 quel que soit l état précédent, et le 0 est codé sur des niveaux ( -V, +V). Si l état précédent du signal d entrée est un 1, alors le signal de sortie ne change pas, si par contre l état antérieur est un 0, alors le signal est inversé. Le codage CMI a les mêmes avantages et les mêmes inconvénients que le code Manchester. (débit, polarité, synchronisation ) septembre

109 Représentation mathématique (5.24) Code CMI Représentation mathématique Principe du codage septembre

110 Bibliographie Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage Les fondamentaux Codes à deux niveaux Codes à multiples niveaux Codes à transformation de valence 6. Conclusion septembre

111 (5.25) Code MLT3 Principe Afin d augmenter les possibilités de codage et de diminuer les erreurs de transmission, les codages à niveaux multiples furent imaginés. Utilisation du MLT3: Fast Ethernet ( 100BaseTX, 100BaseT4 ), ATM. Le principe de codage MLT3 est simple. Il utilise une alternance de niveaux pour représenter un 1 et l absence de changement substitue à l état 0. L état 1 prend dans ce code, trois valeurs : +V, 0 et V. Lorsque le récepteur reçoit une transition +V à 0 ou 0 à V ou encore 0 à +V, celui-ci comprend le 1 logique. S il n y a pas de changement au front d horloge suivant, alors le récepteur déchiffrera un 0. Principal atout. Ce codage permet d utiliser une cadence d émissionréception deux fois plus élevée qu avec un code NRZ. Cependant, le code MLT3 ne résout pas le problème de perte de synchronisation des horloges lors d une longue suite de 0, ce quicontraint donc à utiliser une horloge indépendante. septembre

112 (5.26) Code MLT3 Représentation mathématique septembre

113 (5.27) Code Bipolaire simple (AMI : Alternate Mark Inversion) Utilisation : Lignes DS1/T1 (Utilisé par le système de téléphonie numérique PCM sur la ligne de transmission T1) Principe. Code ternaire, équilibré, indépendant de la polarité, dérive de l horloge (suite de 0). Les 0 sont représentés par des potentiels nuls, les 1 par +V et V en alternance. Il peut y avoir de longues séquences sans potentiel et donc perte de synchronisation. notation : d 1 j le jème bit de la soussuite des bits à 1 septembre

114 (5.28) Bipolaire entrelacé d ordre 2 Principe et représentation mathématique Principe. Le codage bipolaire entrelacé d ordre 2 est fondé en partie sur le code bipolaire simple : le zéro est codé sur niveau (0V) et le 1 sur une transition (alternance +V, -V). Le changement réside dans cette alternance de tensions. Dans ce code, un fois sur 2, ou une fois sur n pour le codage entrelacé d ordre n, la tensions n est pas alternée, et prend la valeur de la dernière tension représentant un 1. Ou pour être simple, il y a alternance une fois sur deux (code bipolaire entrelacé d ordre 2). Principal atout. La particularité (non-alternance un fois sur deux)permet d obtenir une fréquence réduite de moitié lors d une suite de 1. Le codage bipolaire entrelacé d ordre 2 garde les même avantages et les même inconvénients que le code bipolaire simple. Représentation mathématique septembre

115 (5.29)a Code Bipolaire Haute Densité d ordre n (BHD n) Même codage que le Bipolaire + une transformation des suites de plus de n zéros (basée sur la violation de l alternance : bit de viol (noté V)) Suite consécutive de n+1 bits à 0 : (a) suite de n zéros suivis d un bit de viol : [ ] [ V] (b) suite formée d un bit de bourrage (noté B), n-1 zéros, suivis d un bit de viol; les bits B et V ayant même polarité : [ ] [B00...0V] Pour assurer l équilibrage, on choisit la forme (a) si le nombre de bits à 1 suivant le dernier bit de viol est impair, la forme (b) sinon. Le premier bit est implicitement et conventionnellement précédé d un bit de viol. Dans une très longue suite de zéros tous les blocs successifs (sauf parfois le premier) sont codés dans la forme (b). ΔRDS(BDH3) = 2a Code BDH3 septembre

116 (5.29)b Code Bipolaire Haute Densité d ordre n (BHD n) Utilisation : HDB3 : E1, E3 ; B8ZS : T1 ; B3ZS : T3 Principe : le principe de base est le même que pour le codage bipolaire, mais pour éviter une trop longue série de 0, on introduit un bit supplémentaire au signal pour terminer une série de n 0 consécutifs. Ce bit supplémentaire est de même phase que le dernier 1 transmis pour pouvoir l identifier, afin qu il ne soit pas pris en compte dans l information transmise. septembre

117 Bibliographie Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage Les fondamentaux Codes à deux niveaux Codes à multiples niveaux Codes à transformation de valence ou codes par blocs 6. Conclusion septembre

118 (5.30) Codes par blocs Code chaque bloc de k bits par un bloc de n symboles pris dans un alphabet de taille L. L alphabet étant généralement binaire, ternaire, ou plus rarement quaternaire (noté resp. B, T, Q). On a la relation : 2k Ln Les codes précédents peuvent être perçus comme des codes par blocs (surtout si le bloc à coder est réduit à un seul bit). Exemple : RZ 1B/2T, biphase 1B/2B L efficacité de ces codes peut être faible (2k/Ln). Ces codes servent à éliminer les suites binaires impropres à la transmission. Comme précodage : La modulation est généralement effectuée ultérieurement en utilisant un des codes simples précédents. Exemple : FDDI = 4B/5B + NRZI septembre

119 (5.31) Codes par blocs Le codage par blocs est utilisé dans tous les systèmes de codage. Pour le réaliser, on utilise une table de transcodage afin de coder un groupe de n bits en un autre groupe de m bits (cf. figure ci-après). Si l on prend l exemple du premier codage de la figure ci-après, il utilise la forme 2B/2B, autrement dit, deux valeurs binaires (01) sont codés sur un alphabet binaire ( +V, -V). Le deuxième code (1B/1T) transforme une valeur binaire en un alphabet de 3 valeurs donc ternaire (+V, 0, -V). Enfin, le dernier codage (1B/2T) code un bit (binary digit) en deux valeurs d un alphabet ternaire. septembre

120 (5.32) Codes par blocs Principe du code 2B1Q Maintenant, si l on prend l exemple du code 2B/1Q représenté dans la figure ci-après, deux valeurs binaires sont codés sur un alphabet quaternaire (-3, -1, +1, +3). Utilisation du code 2B/1Q : RNIS/ISDN, HDSL. septembre

121 (5.33) Codes par blocs Principe du code 4B5B Maintenant, si l on prend l exemple du code 4B/5B on obtient la transposition sur les figures ci-après. La suite binaire utilisée va être découpée en groupes de 4 bits. La table de transcodage ci-dessous permet de transformer chaque groupe de 4 bits en groupe de 5 bits Utilisation : 4B/5B : Fast Ethernet ; 8B/10B :Gigabit Ethernet septembre

122 (5.34) Codes par blocs Avantages et inconvients Ce type de codage apporte la garantie de ne pas avoir à transmettre plus de deux 0 successifs. Les caractères spéciaux, hors données utiles, peuvent trouver leur place dans la table de transcodage sans nécessiter un état spécial du signal comme dans les codages Manchester. Le codage 4B5B augmente la fréquence du signal. Par exemple 125Mhz pour 100Mbps. Associé à un codage de type NRZI, on obtient dans le cas du Fast Ethernet (100BaseFX) une fréquence de 62.5Mhz. Avec un codage MLT3, la fréquence du signal tombe à 31.25Mhz pour le Fast Ethernet 100BaseTX. Par ailleurs ce type de codage laisse un nombre important de mots de 5 bits inutilisés. Même en éliminant les groupes pouvant poser des problèmes de transmission comme par exemple, il reste des mots pouvant être utilisés pour le contrôle de la transmission ou d autres fonctions comme début ou fin de paquet par exemple. septembre

123 (5.35) Codage En guise de conclusion (débit, distance) Certains codes apportent un débit de transmission assez élevé, ce qui est recherché dans les principales applications des codages comme dans l Ethernet, pendant que d autres privilégient la fiabilité des informations transmises. Les codages à niveaux, et notamment le code NRZ, ont la particularité d être simples à réaliser, un niveau de tension est beaucoup plus simple à détecter qu une transition, mais ils nécessitent l installation d une ligne indépendante pour transmettre l horloge. Ce type de codage est utile pour des courtes distances, comme dans un ordinateur par exemple, mais on ne pourrait pas avoir recours à ce type de code pour relier des systèmes éloignés sans s encombrer de multiples fils et relais. Les codages à transitions sont pour leur part, bien adaptés aux longues distances. L horloge est généralement recréée à partir du signal transmis ce qui est donc bien utile pour les réseaux distants. Mais à grande fréquence, les transitions s étalent dans le temps et ne sont plus des paliers abrupts, les cadences élevées sont donc instables pour le codage-décodage. septembre

124 (5.36) Codage En guise de conclusion (type de support) La fibre optique ne se distingue pas particulièrement de la paire torsadée au niveau des codages. l Certains codages sont employés indifféremment pour l une ou pour l autre : NRZI, Manchester ou les codages par blocs septembre

125 Bibliographie Sommaire 1. Introduction 2. Les phénomènes caractéristiques de la transmission 3. Les éléments de la transmission 4. La modulation 5. Le codage 6. Conclusion septembre

126 (6.1) CONCLUSION Des techniques de transmission assurent l adaptation du signal à transmettre aux caractéristiques du support de communication. La technique de transposition en fréquence module des signaux analogiques ou numériques De très nombreux codes de transmission existent (NRZ, biphase, bipolaire, etc.), chacun possédant certaines des caractéristiques voulues, mais pas toutes. septembre

127 (6.2) CONCLUSION Les techniques de transmission ne suffisent pas à assurer que les communications se déroulent sans aucune erreur. C est pourquoi des nombreuses autres techniques notamment de de protection contre les erreurs sont développées. septembre

128 (6.3) CONCLUSION Chaîne de transmission Exemple de traitement Spread Spectrum (SS) - Etalement septembre

129 (6.3) CONCLUSION Chaîne de transmission Exemple de traitement Spread Spectrum (SS) - Etalement septembre

130 Exo 1: Comparaison des codes en ligne Enoncé La figure ciaprès représente la séquence d information : e = , modulée en utilisant 5 codes en lignes différents Représenter graphiquement les D.S.P. de ces 5 codes en lignes. Comparer les DSP de ces codes. septembre

131 Comparaison des codes en ligne Signaux modulés par la séquence e = septembre

132 Representation des différentes DSP Pour la comparaison. Noter particulièrement: -la largeur de bande de chaque DSP -et la présence de raies spectrales. septembre

133 Exo 2: Débit binaire et rapidité de modulation Enoncé 1. Une source S génère des messages appartenant à un alphabet A = {a1, a2, a3}, toutes les T secondes. On décide de transmettre ces messages en les groupant par paquets de 4. Chaque paquet sera représenté par un signal différent de durée finie 4T. Combien de signaux différents faudra-t-il choisir pour représenter tous les paquets? 2. On considère, dans ce problème, deux sources numériques différentes SA et SB. SA génère des messages d un alphabet A = {a1, a2, a3, a4, a5, a6} à la vitesse d un message toutes les T A µs. SB pour sa part génère des messages issus d un alphabet B = {b0, b1, b2, b3} à la vitesse T B = T A. (a) Calculer la rapidité de modulation de S A et S B. (b) En supposant un choix de représentation binaire pour les messages issus de S A et de S B, calculer le débit binaire D A et D B de chaque source. On construit à partir de S A et de S B une nouvelle source S formée par tous les couples (x i, y j ) avec x i et y j appartiennent respectivement à S A et S B. (c) Calculer la rapidité de modulation et le débit binaire de cette nouvelle source. septembre