TR A ITE M E N T N U M E R IQ U E D U

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1 TR A ITE M E N T N U M E R IQ U E D U MASTER STPI EEA

2 UNIVERSITE MONTPELLIER II Transmission Numérique I. Introduction 1.1. Quel est l intérêt du traitement numérique? (page 3) 1.2. Structure de la chaîne de traitement numérique (page 3) 1.3. Quelques exemples d utilisations de signaux numériques (page 4) II. Les grands principes 2.1. Signaux numériques (échantillonnage, blocage, codage) (page 5) 2.2. CAN CNA (page 7) 2.3. Modulations (page 9) 2.4. Modulation par impulsions codées (MIC) (page 11) III. Partie expérimentale 3.1. Modulation par impulsions codées (MODICOM 3) (page 14) 3.2. Echantillonnage (MODICOM 1) (page 18) 3.3. Multiplexage (MODICOM 2) (page 22) 3.4. Modulations ASK, FSK, PSK et MPD4 (MODICOM 5) (page 26) IV. Nouvelles technologies 4. TNT (Télévision Numérique Terrestre) (page 33) V. Conclusion (page 36) 2

3 ANNEXE 1: Bibliographie (page 37) ANNEXE 2: Sujets des TP (page 38) 3

4 I. Introduction Une des conséquences du formidable progrès des capacités de calcul des ordinateurs et processeurs numériques électroniques est l utilisation de plus en plus fréquente du traitement numérique du signal: les opérations (filtrage, correction, mémorisation, transmission, etc.) qui se faisaient autrefois à l aide de systèmes analogiques peuvent se faire maintenant à l aide de systèmes numériques. De plus, ces derniers permettent de réaliser des opérations impossibles à faire analogiquement (par exemple en traitement des images vidéo). 1.1 Quel est l intérêt du traitement numérique? En transmissions, un signal numérique est beaucoup moins sensible aux parasites qu un signal analogique. Pour une même qualité, on peut donc utiliser un émetteur plus faible, ou bien obtenir une portée plus grande. En transmissions ou pour le stockage, on peut utiliser des codes correcteurs d erreurs, genre bit de parité, mais en plus puissant. Par exemple, les disques compacts utilisent un codage CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code). On rajoute au signal numérique proprement dit des bits ou des octets qui peuvent permettre, en cas de perte d information (rayure du disque, poussière, défaut de pressage), de reconstituer les informations perdues. On peut ainsi reconstituer, par le calcul, jusqu à 4000 bits consécutifs manquants. Un système électronique analogique est sujet à de nombreux décalages et dérives, qu il faut corriger " à la main ", ce qui n existe pas dans un système numérique. Dans les systèmes numériques, on peut utiliser des microcontrôleurs et leur faire faire différentes opérations (zéro automatique, changement de calibre, stockage temporaire des données, ) C est en traitement d images que le numérique apporte le plus. On peut pratiquement tout faire sur une image numérisée, il suffit, pour s en convaincre d observer tous les effets que la télévision utilise quotidiennement. 1.2 Structure de la chaîne de traitement numérique : 4

5 En général, les signaux d entrée et de sortie de la chaîne sont analogiques et seul le traitement se fait numériquement. Il faut donc effectuer une conversion analogique numérique (CAN) et une autre en sens inverse (CNA). Descriptif des différents blocs de cette chaîne : - un filtre anti-repliement : filtre passe-bas de fréquence de coupure inférieure à f e /2 (d après Shannon); - un échantillonneur-bloqueur, qui prélève à intervalles réguliers des échantillons du signal et les maintient le temps que dure la conversion analogique-numérique; - un convertisseur analogique-numérique qui fournit un signal numérique; - l unité de traitement numérique; - un convertisseur numérique-analogique qui fournit un signal échantillonné, en général avec maintien; - un filtre passe-bas qui reconstitue le signal analogique correspondant au signal échantillonné. 1.3 Quelques exemples d utilisations de signaux numériques : - sons et images numériques (disques compacts, images de télévision, images de synthèse, etc..); - signaux numériques issus de capteurs et signaux de commande d actionneurs; - transmissions numériques: téléphone numérique, fax, internet, liaisons numériques dans les systèmes industriels. 5

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7 II. Les grands principes 2.1. Signaux numériques Un signal numérique est une suite de valeurs numériques, qui sont des impulsions de Dirac, d amplitudes différentes. Le signal représente toujours une grandeur analogique qui a été échantillonnée, comme une tension ou un courant Echantillonnage Si s(t) est le signal analogique d origine, s*(t) sera le signal échantillonné correspondant qui s écrira sous la forme : On considère alors une impulsion de Dirac unitaire : δ(t) A l instant nte, cette impulsion s écrit δ(t-nte) Un peigne de Dirac s écrira donc sous la forme : On a alors La numérisation est donc une transformation des signaux qui sont, à l origine, analogiques. Leur traitement se fera avec des circuits numériques. Une des dernières étapes de ce traitement consistera à les reconstituer en signaux analogiques. Le théorème de Shannon donne une condition sur la fréquence d échantillonnage, pour que cette opération de retour soit réussie Reconstitution du signal Théorème de Shannon : Pour qu il n y ait pas de perte d information lors de l opération de reconstitution du signal numérique en signal analogique, il faut que : 7

8 Fe 2.Fmax du signal analogique Pour être certain d éviter ce problème, on fait passer, avant l échantillonnage, le signal s(t) dans un filtre passe-bas de fréquence de coupure inférieure à fe/2. C est pourquoi ce filtre s appelle filtre anti-repliement. Revenons au filtre permettant de retrouver le signal analogique. Dans la pratique, on n arrive pas à réaliser un filtre aussi carré que le filtre idéal (la théorie montre même que c est impossible). On peut utiliser des filtres d ordre élevés, du type Butterworth par exemple, et échantillonner à une fréquence assez supérieure au double de Fmax. Mais on se contente souvent d un système beaucoup plus simple, bien que moins performant: le bloqueur d ordre zéro Bloqueur Ce système consiste à maintenir la valeur de chaque échantillon jusqu à l arrivée du suivant. La figure suivante donne un exemple d un bloqueur d ordre zero (en vert). 8

9 Ce bloqueur est utilisé au début de chaîne (CAN). On peut également trouver des bloqueurs d ordre 1 (en rouge). Il est utilisé pour la reconstitution du signal CAN - CNA Convertisseur Analogique Numérique : Un convertisseur analogique numérique (CAN) est un appareil permettant de transformer en valeurs numériques un phénomène variant dans le temps. Lorsque les valeurs numériques peuvent être stockées sous forme binaire (donc par un ordinateur), on parle de données multimédia Principe de fonctionnement des CAN: La quantification des échantillons est effectuée par un CAN. La conversion prenant un certain temps, le CAN est précédé d un bloqueur, qui maintient le signal à sa valeur au moment de l échantillonnage. La période d échantillonnage doit bien sûr être supérieure au temps de conversion, c est pourquoi celui-ci est une caractéristique essentielle du CAN. Un CAN est caractérisé essentiellement par: - son principe de fonctionnement ; 9

10 - sa résolution (le pas de quantification q), lié à l intervalle de mesure V (intervalle de valeurs autorisées pour le signal d entrée) et au nombre de bits n : - son temps de conversion ; - sa linéarité, c est-à-dire l écart relatif maximum entre sa fonction de transfert et une droite. Il existe trois grands principes de fonctionnement: la conversion à rampe, la conversion par approximations successives, la conversion flash. Les temps de conversion des trois méthodes sont très différents Convertisseur Numérique Analogique : Les convertisseurs numériques analogiques (CNA) permettent de restituer un signal numérique en signal analogique. En effet, si une donnée numérique est plus facile à stocker et à manipuler, il faut tout de même pouvoir l'exploiter. A quoi servirait un son numérique si l'on ne pouvait pas l'entendre Principe de fonctionnement des CNA: Le convertisseur numérique analogique reçoit en entrée un nombre sur m bits et délivre en sortie une tension représentant ce nombre. Il existe plusieurs sortes de convertisseurs: les convertisseurs à chaînes de résistances, les convertisseurs à réseau R-2R 10

11 Voila les principales caractéristiques à connaître concernant les CAN-CNA. Notre étude ne porte pas sur leur fonctionnement, mais sur leur principe de base qui porte sur la transmission numérique Modulations Pourquoi moduler un signal? Le but de la modulation est de convoyer un signal à distance. Il est en effet nécessaire de moduler un signal car la transmission d'un signal porteur d'informations - d'un message - dans la bande passante d un canal de communication, comme une ligne téléphonique ou une liaison satellite, ne peut pas se faire directement pour une raison simple : la gamme de fréquences occupée par le signal ne se trouve pas dans la bande passante du canal. De plus la modulation permet une meilleure protection du signal contre le bruit, la transmission simultanée de messages dans des bandes de fréquences adjacentes donc une meilleure utilisation du support Principe de la modulation Il s agit en fait d utiliser un signal haute fréquence, appelé signal porteur, dans lequel on va introduire le signal utile, appelé signal modulant. Et c est en faisant varier une des caractéristiques du signal porteur en fonction du signal modulant que l on obtient un signal modulé Différents modes de modulations On distingue 6 modes de modulations : Pour les modes de modulations suivants, le signal porteur varie proportionnellement au message modulant : - Modulation d amplitude (AM ou ASK) ; - Modulation de fréquence (FM ou FSK) ; - Modulation de phase (PM ou PSK). Par contre, pour les modes de modulations suivants, le signal porteur est un train d impulsions : - Modulation par impulsions (PAM, PDM et PPM) ; 11

12 - Modulation par impulsions codées (PCM ou MIC) ; - Modulation delta. Nous allons nous intéresser dans cette partie à une approche théorique et simplifiée de ces différents types de modulations. Notre étude portera essentiellement sur des signaux sinusoïdaux, car comme nous l avons vu, un signal quelconque est une somme de signaux sinusoïdaux (Fourier) Modulations d Amplitude ASK Dans ce type de modulation le signal source fait varier l'amplitude de la porteuse. On dit aussi que la source est l'enveloppe de la porteuse. Cette modulation est surtout utilisée en radio - ondes moyennes (AM ou MW d'environs 500 à 2000 khz). La modulation d'amplitude est très sensible aux perturbations électromagnétiques qui peuvent modifier l'amplitude de la porteuse et donc du signal source lors de la démodulation. Lorsque l on parle de modulation ASK, on peut voir les choses de la façon suivante, sans forcement passer par l étude mathématique : Forme de la porteuse Data A*cos(ωpt) * 1 A Modulations de Fréquence FSK En modulation de fréquences le signal source fait varier la fréquence de la porteuse. Ce type de modulation est utilisé surtout en radio - ondes ultracourtes (FM d'environs 80 à 110 MHz). 12

13 = = Université Montpellier II La modulation de fréquences est peu sensible aux perturbations électromagnétiques, car ces dernières provoquent des variations d'amplitude du signal mais pas de sa fréquence. Le signal démodulé est donc identique à celui de la source. Lorsque l on parle de modulation FSK, on peut voir les choses de la façon suivante : Data Forme des porteuses 0 a*cos(ω1t) 1 a*cos(ω2t) ω1 ω Modulations de Phase PSK Cette modulation est principalement utilisée pour des transmissions de valeurs binaires. La porteuse est déphasée selon l'amplitude du signal source. Pour un signal binaire, la variation de phase est de 180 degrés à chaque transition. On peut également définir 4 déphasages différents (tous les 90 degrés) pour transmettre les valeurs binaires "00", "01", "10", "11". Dès lors le débit binaire sera 2 fois plus grand que le débit exprimé en Bauds (bit/sec). Lorsque l on parle de modulation PSK, on peut voir les choses de la façon suivante : Saut de phase de π φ Data Modulation par impulsions codées (MIC) π Forme de la porteuse 0 a*cos(ωt) a*cos(ωt + π) 13

14 C'est A.H. Reeves, des laboratoires de l International Téléphone and Télégraph Company (ITT) qui a inventé ce type de modulation en C'est le fondement de l'enregistrement numérique. Les traitements essentiels qui interviennent en modulation MIC sont illustrés sur le schéma suivant : - L'échantillonnage consiste à prélever des échantillons d'un signal analogique à des instants discrets. - La quantification est la représentation de l'amplitude d'un signal au moyen d'un ensemble fini de niveaux. - Le codage correspond à la conversion de chacun de ces niveaux en une valeur numérique. Ces trois grands points seront plus développés par la suite Schéma de principe Le schéma bloc de la modulation MIC comporte plusieurs parties dépendantes les unes des autres : - un échantillonneur ; - un quantificateur ; - un codeur N bits ; - un module transformant les mots binaires en signaux électriques via la transmission ; - un modulateur analogique FM (ou PM) pour les transmissions ; - et éventuellement un compresseur après l échantillonneur Echantillonnage Lorsque l'on désire numériser un signal analogique, c'est-à-dire le coder à l'aide d'une suite finie de nombres, on commence généralement par l'échantillonner. 14

15 Cette opération consiste à prendre la valeur instantanée du signal à des instants séparés par un temps constant Te. L'échantillonnage est classique, il se fait sans blocage, et donne un signal noté e*(t) Quantification A chaque niveau de tension est associé une valeur binaire codée sur n bits: N bits vont permettre de distinguer 2 niveaux de tension répartis de -Vm à +Vm. On a ainsi un pas de quantification : Avec n=nombre de bits Ainsi un signal de ±5V codé sur 8 bits donnera un pas de quantification q=39mv. La caractéristique d entrée/sortie d un CAN est une caractéristique en marche d escalier. Chaque palier a une largeur d un pas de quantification q. Le passage d un palier à un autre correspond à une variation de 1 du code Codage La modulation par impulsions codées fait appel à un codeur. Il s'agit d'un dispositif qui code les échantillons quantifiés en leur attribuant une valeur binaire. La suite de valeurs binaires est elle même transformée en une chaîne d'impulsions séquentielles avant d'être transmise. 15

16 Pour ce signal échantillonné d'amplitude 7 volts, on fixe la taille de l'incrément à un volt. On emploie ainsi huit niveaux de quantification, ce qui correspond à un codage binaire sur 3 bits, situé aux valeurs 0, 1, 2,...,7 en décimal. On assigne le code 0 au niveau binaire 000, le code 1 au niveau binaire 001 et ainsi de suite jusqu'à 7 (111 en binaire) Modulation FM ou PM Pour terminer la chaîne du schéma bloc de la modulation MIC, on parle de modulation en fréquence ou en phase pour les transmissions. La transmission des données se fait par l'intermédiaire d'une onde porteuse, une onde simple dont le seul but est de transporter les données par modification de l'une de ces caractéristiques (amplitude, fréquence ou phase), c'est la raison pour laquelle la transmission analogique est généralement appelée transmission par modulation d'onde porteuse. Exemple d une modulation de fréquence : Afin de mieux illustrer la modulation par impulsions codées MIC, un TP a été mise en œuvre (MODICOM 3). III. Partie expérimentale 3.1. Modulation par impulsions codées : (MODICOM 3) La connexion entre l émetteur (modicom 3/1) et le récepteur (modicom 3/2) se fait sur 3 fils (fig. 1 du sujet). Le but de cette étude est d obtenir une transmission sur le moins de fil possible soit 1. La maquette peut fabriquer des signaux continus ou alternatifs. Le fonctionnement général de cette maquette est le suivant : - les 2 signaux analogiques (dans ce cas) créés sont, dans un premier temps, multiplexés sur un canal ; - ensuite, ce signal passe dans le CAN puis est envoyé ; - pour la réception, c est en quelque sorte le chemin inverse qui se passe. 16

17 Mode de connexion 1 : (connexion sur 3 fils) Pour la manipulation figure 1, nous avons tout d abord vérifié que le «Sync. Code generator» et que le «Sync. Code receptor» soient sur Off et que le mode soit «Fast». Après avoir générés DC.0 et DC.1 sur les canaux CH0 et CH1, nous avons visualisé à l oscilloscope Tx.T0 et le canal Tx.Data afin de vérifier l allure de la trame donnée par la figure 2 : Les chronogrammes suivants correspondent à la valeur du LSB seul de Data0 : Le code binaire de ce signal serait : bit + Data0 + Data1 start 1 trame Le bit de start correspond en fait à tous les débuts de trame. Ce qui veut donc dire que la période du signal Tsignal correspond à la durée d un bit de start à l autre. Nous avons alors visualisé à l aide des curseurs de l oscilloscope la durée Tsignal = Ttrame. Ł Ttrame = 62.4µs Ł Ftrame = Fe = 1/62.4µs = 16 khz Nous en déduisons alors la période d un bit: Tbit = 62.4µs / (14+1) = 4.16µs Visualisation d une période d horloge : Signal d horloge Période d un bit On en déduit alors que : Tclk = Tbit = 4.16µs Les chronogrammes suivants correspondent au niveau maximum de Data0 et minimum de Data1 : 17

18 Le code binaire de ce signal serait : bit + Data0 + Data1 start 1 trame Correspondance entre la valeur analogique et l échelle numérique: Calcul du grain de quantification (quantum) v. Définition du terme «quantum» : Plus petite variation entre 2 pas. Nous avons mesuré Vmax=5.9V Donc : avec n = nombre de bits = 7 bits alors v = 0.09V Nous envoyons maintenant une sinusoïde à 1kHz sur CH0 (avec n importe quel signal sur CH1) et nous obtenons les courbes suivantes : Signal (S1) à 1kHz Signal (S2) reçu avant le filtrage 18

19 Le signal S2 est échantillonné convolution de la sinusoïde S1 et du Peigne de Dirac. On peut s apercevoir qu il y a un retard entre S1 et S2 de 120µs. D où vient ce retard? Nous avons vérifié les temps de conversion des différentes maquettes : - temps de conversion d émission : 15*4µs = 60µs ; - temps de conversion de réception : 15*4µs = 60µs. Ce retard vient donc du temps que mettent les CAN et CNA pour leur conversion. Nous nous sommes ensuite intéressés au signal après le filtrage, et nous avons obtenu les courbes suivantes : Signal S1 Signal S2 avant filtrage Signal S2 après filtrage Le signal S2 filtré correspond au signal échantillonné moins les hautes fréquences. On peut voir qu il y a également un retard sur S2 qui est du au filtre. Pour conclure sur ce Mode de connexion 1, nous avons fait fonctionner l émetteur et le récepteur en mode «slow». Nous avons envoyé sur CH0, Data0 au niveau logique 1 et sur CH1, Data1 au niveau 0. On a ensuite pu compter 15 coups d horloge entre l apparition des 1 dans le convertisseur de l émetteur et celui du récepteur Mode de connexion 2 : (connexion sur 2 fils) Le but de cette connexion est d enlever le bit de start, donc, d un aspect commercial, économiser 1 fil. On utilisera alors un générateur de code de synchronisation (code pseudo-aléatoire). Registre à décalage rebouclé par un OU Exclusif pour la génération. 19

20 Pour la détection du code de synchronisation. Dans ce cas, le récepteur ne sait pas où commencent les trames mais il connaît leur longueur de 15 bits. Il prélève alors un bit tous les 15 bits et teste en permanence si la sortie du détecteur de synchronisation est égale à 0. Si la sortie =1, il saute un bit vers la gauche et prélève toujours un bit sur chaque trame. Il continu jusqu à ce que la sortie =0. On peut alors en déduire que la durée au maximum peut être de : 15 trames * 15 bits => 15 * 15 * 4.16µs = 936µs Avec le code de synchronisation actif, le signal reçu sera, au bout de 936µs, le même que celui envoyé. Par contre, si le code de synchronisation est inactif, le signal sera différent pour les raisons suivantes : - si le récepteur choisit que le début de la trame est au milieu de Data0, le signal aura une forme A ; - si le récepteur choisit que le début de la trame est au milieu de Data1, le signal aura une forme B, ect signal d entrée signal de sortie si le code de synchronisation est inactif On vérifie ensuite que le code pseudo-aléatoire est correct : 20

21 Mode de connexion 3 : (connexion sur 1 fil) Ce mode de transmission est en quelque sorte une transmission asynchrone (ne dépend pas d un signal d horloge). La PLL (boucle à verrouillage de phase) dont le comparateur de phase est constitué d un OU Exclusif suivi d un filtre passe-bas permet de régénérer l horloge à partir du signal lui-même. Le VCO est un convertisseur tension-fréquence. Dans notre cas, à une tension de 2.5V, on a une fréquence, qui est réglable, à ~240kHz. (T=4.16µs) Pour finir cette étude, nous avons vérifié que l on pouvait synchroniser n importe quel signal Echantillonnage : (MODICOM 1) Le but de ce TP est de nous montrer comment un signal peut être échantillonné, transmis comme une suite d échantillons, puis reconstitué à l aide de filtres passe-bas Bloc de logique de commande d échantillonnage : (Sampling control logic) Il fabrique une commande d échantillonnage à différentes fréquences (2, 4, 8, 16, 32kHz) et d ouverture réglables (10 à 90%). Il comprend un compteur BCD d horloge réglable. Cette horloge est obtenue à la sortie d un multiplexeur. Le compteur est suivi d un comparateur sur 4 bits qui permet de faire varier l ouverture de l échantillonneur. Les chronogrammes suivants nous montre le signal d horloge ainsi que le compteur : 21

22 Horloge Poids faible du compteur Poids fort ducompteur Sur les chronogrammes précédents, on peut apercevoir des "glitchs" (parasites). Afin d obtenir des signaux de meilleurs qualités, nous avons supprimé ces parasites à l aide d une bascule D Latch. Suppression des glitchs (30%) Horloge Signal (avec glitchs) Signal (sans glitchs) Passé dans la bascule D Latch actif sur ½ En regardant de plus près, enlever les glitchs, n est pas la seule raison de l utilisation de la bascule D. En effet : - elle permet de synchroniser le signal de sortie du comparateur avec les fronts montants du signal d horloge ; - elle inverse l état du comparateur et filtre les parasites du à la synchronisation Bloc d échantillonnage : Les chronogrammes suivants nous montre la sinusoïde fabriquée par la plaquette, avec une horloge de 40kHz et un rapport cyclique de 50% : Sinusoïde de 40kHz Signal échantillonné simple Signal échantillonné et bloqué 22

23 Pour une fréquence d horloge du compteur de 40kHz, la fréquence d échantillonnage Fe=4kHz. On peut alors dire que l on dispose de 2 dispositifs d échantillonnage : - échantillonnage simple : Le signal est recopié tant que le signal d échantillonnage est à 0. Lorsqu il passe à 1, le signal échantillonné repasse à 0 (latch). - échantillonneur-bloqueur : Lorsque le signal échantillonné passe à 1 (latch), la valeur échantillonnée reste jusqu au prochain ordre d échantillon (recharge de condensateur). Les courbes suivantes nous illustrent que lorsque l on augmente le rapport cyclique, le signal reconstitué est meilleur : Signal de 40kHz Signal échantillonné d ordre 1 (50%) Signal échantillonné d ordre 1 (80%) Le bloc de reconstitution des signaux : Les filtres passe-bas permettent de lisser le signal reconstitué. Au niveau spectral, un filtre passe-bas permet de garder les basses fréquences tout en supprimant les hautes dont le bruit. Plus l ordre du filtre est élevé, moins on aura de raies spectrales indésirables (cela dépend aussi de la fréquence de coupure). Les quatre courbes suivantes représentent en fait les différents types d échantillonnage, ainsi que leur FFT (avec des filtres d ordres différents). Echantillonnage libre (Fe=8khz), filtre d ordre 2: Signal échantillonné (50%) Signal reconstitué (mauvaise qualité) FFT (filtre ordre 2) Fo Raie du Fondamental Fe-Fo Fe Fe+F 23

24 Grâce à la FFT, on peut visualiser plusieurs choses : - la fréquence d échantillonnage à 8kHz ; - la fréquence Fo du fondamental à 1kHz (fréquence du signal injecté) - les 2 raies Fe±Fo (7kHz et 9kHz). On sait que la convolution est la multiplication des transformées de Fourier. Le signal échantillonné est le résultat de la multiplication du signal injecté (1kHz) par le signal de commande (Latch) => le spectre de la sinusoïde échantillonnée est le résultat de la convolution. D un point de vue mathématique, on peut calculer les fréquences de ces 2 raies, et on s aperçoit que : dans la FFT d un signal échantillonné, à toutes les fréquences d échantillonnage nfe, on a des 2 raie à ± Fo. On peut donc voir, sur les courbes précédentes, que le signal n est pas correctement reconstitué. On aperçoit nettement les 2 raies (Fe±Fo) qui viennent perturber le signal. Pour les supprimer, il y a plusieurs méthodes : changer l ordre du filtre ou changer l échantillonnage. Echantillonnage libre (Fe=8khz), filtre d ordre 4: Signal échantillonné (50%) Signal reconstitué qualité moyenne FFT (filtre ordre 4) Fe En changeant l ordre du filtre, on a pu plus atténuer ces 2 raies, ce qui se ressent sur le signal reconstitué, qui est de meilleure qualité. Echantillonnage bloqué (Fe=8khz), filtre d ordre 2: Signal échantillonné bloqué Signal reconstitué qualité moyenne FFT (filtre ordre 2) 24

25 Echantillonnage bloqué (Fe=8khz), filtre d ordre 4: Signal échantillonné bloqué Signal reconstitué bonne qualité FFT (filtre ordre 4) 3.3. Multiplexage : (MODICOM 2) Cette plaque montre comment des signaux analogiques échantillonnés peuvent être multiplexés temporellement sur une même voie de transmission Emetteur : La maquette permet le multiplexage de quatre signaux sinusoïdaux (2kHz, 1kHz, 500Hz et 250Hz) échantillonnés à 16kHz. L émetteur envoie sur la ligne de transmission une suite d impulsions dont l amplitude est modulée par la valeur des divers signaux à l instant de l échantillonnage, d où le nom de PAM (Pulse Amplitude Modulation). La période d échantillonnage (62,5µs) est subdivisée en 4 fenêtres (time slot) allouées aux 4 canaux à transmettre. Le pourcentage de cette fenêtre réservé à l échantillon (rapport cyclique) est réglable par pas de 10 entre 0 et 90%. Les chronogrammes suivants sont en fait les signaux des pins Tx CH0 et Tx Clock, ainsi que sur les pins 2, 3 et 4 : PT4 (64kHz) PT2 (16kHz) PT3 (32kHz) Tx CH0 (16kHz) Tx Clock (64kHz) On peut remarquer que Tx Clock sert à la synchronisation du récepteur et que Tx CH0 nous donne la durée de la fenêtre allouée au premier canal. 25

26 Cette durée est de 15µs max. Mais dans notre cas, elle est plus précisément de 13,5µs (~90% de 15µs). Nous avons ensuite voulu visualiser les signaux des pins 7, 8, 9 et 10 : PT4 (64kHz) PT7 PT8 PT9 PT10 La fabrication des 4 fenêtres est assurée par un compteur par 4 dont les sorties (PT2 et PT3) servent de clés à un multiplexeur (1 4) qui fait passer le signal de le PT4 vers les sorties 7, 8, 9 et 10. Pour poursuivre, nous avons visualisé à l oscilloscope les 4 sinusoïdes multiplexées (Tx Output) : ce qui donne le signal suivant, qui n est pas très lisible. De ce signal, nous avons pu obtenir son spectre à l aide de la touche FFT de l oscilloscope : "groupe de pics" qui entour les fréquences d échantillonnage 26

27 De ce spectre, on peut vérifier et voir plusieurs choses : - a chaque fréquence d échantillonnage (nfe avec Fe = 16kHz), on a un "groupe de pics". - les "groupe de pics" correspondent en fait aux fréquences ± 250Hz, ± 500Hz, ± 1kHz, ± 2kHz, qui viennent du produit de convolution des différents signaux. En faisant un zoom sur le groupe de pics qui se situe autour de zéro, on peut voir nettement ces différents pics : Centrer autour de 0Hz Raie à : 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz Récepteur : Pour prélever les échantillons aux bons moments, il faut que le compteur par 4 qui précède le multiplexeur soit synchrone avec le compteur de l émetteur. Pour cela, il faut non seulement qu il ait la même horloge (Clock commune) mais il faut aussi qu il passe par l état 0 au même moment (Reset commun). Il existe trois modes opératoires : MODE 1 : La liaison entre l émetteur et le récepteur se fait par trois fils. A l aide de l analyseur logique, nous avons visualisé les signaux des pins 7 et 8 de l émetteur et pin 36 du récepteur : pin 7 CH0 pin 8 pin 36 ajusté (portion allouée à chaque canal) pin 36 non ajusté 27

28 L échantillonnage du CH0 est bien récupéré au bon moment à condition de bien ajuster la phase. On remarque la durée d ouverture au niveau du récepteur est toujours de 15,6µs (100% du rapport cyclique). En fait, le récepteur laisse le canal ouvert à 100% et la portion récupérée varie de 10 à 90%. Nous avons ensuite visualisé le signal CH0 de l émetteur (pin 11), le signal échantillonné par le récepteur (pin 42) puis le signal filtré (pin43) : CH0 pin 42 pin 43 Ce démultiplexage est incorrecte. Le retard de transmission entre les signaux Clock et multiplexés peut entraîner des erreurs d aiguillage. Dans ce cas, la phase est mal ajustée. L ouverture du démultiplexeur correspond à 1 portion du signal CH0 et 1 autre de CH1. Alors que les signaux suivants sont correctement démultiplexés : pin 42 (signal échantillonné) pin 43 (signal filtré) MODE 2 : La liaison entre l émetteur et le récepteur se fait par deux fils. Le signal d horloge est reconstitué à l aide d une PLL (boucle à verrouillage de phase). Le même type d observations sera à faire au point de vue des manipulations. Tout en faisant attention à bien ajuster le seuil du comparateur de la PLL. MODE 3 : La liaison entre l émetteur et le récepteur se fait par un fil. (Téléphonie) 28

29 On sacrifie le signal transmis par CH0 en le remplaçant par 1 signal continu de niveau plus élevé que les 3 sinusoïdes transmises pour qu une fois échantillonné et transmis, il puisse être récupéré à l aide d un comparateur à seuil. (la pin 42 est envoyées vers l entrée de la PLL) ASK, FSK,PSK, codage : (MODICOM 5) La transmission de données numériques nécessite trois étapes : le formatage (fabrication d une trame : TP MODICOM 3 par exemple), le codage et la modulation numérique.. Formatage : Les signaux numériques (suites de bits) peuvent être transmis sous des formes très diverses de signaux impulsionnels, appelées parfois codes de ligne : - NRZ (code unipolaire avec non-retour à zéro) ; - NRZ(L) (Level) ; - NRZ(M) (Mark) ; - RZ (code unipolaire avec retour à zéro) ; - Manchester (code biphasé) ; - Mark (code biphasé ou manchester différentiel) ; - RB (return to bias) ; - AMI (Alternate Mark Inversion).. Codage : Le plus rudimentaire consiste à une simple recopie de bits à transmettre. Fabrique les données Modulation et codage Dans toute cette partie, on se servira des données fabriquées par la carte MODICOM3/1. On réglera DC1, de cette carte, pour avoir comme données dans le convertisseur que l on branchera aux entrées CH0 et CH1. Le code étant vérifié grâce aux diodes du CAN. Modulation numérique : Il existe 3 types de modulation : - ASK (Amplitude Shift Keying) ; - FSK (Frequency Shift Keying) ; - PSK (Phase Shift Keying) Modulation d amplitude ASK: Rappel de base de la modulation ASK : 29

30 Porteuse Data A*cos(ωpt) * 1 A 0 0 Fréquence de notre porteuse : Fp = 1,44MHz On émet les Data (ou NRZ(L)) sans le code de synchronisation : code NRZ(L) signal modulé signal ASK demodulator redressé signal filtré signal après comparateur (signal démodulé) Modulation de Fréquence FSK: Rappel de base de la modulation FSK : Data Porteuses 0 a*cos(ω1t) 1 a*cos(ω2t) Fréquences des deux porteuses : F1 = 960KHz F2 = 1,44MHz ω1 ω2 On émet les Data sans le code de synchronisation : 30

31 = = Université Montpellier II DataNRZ(L) D1 + D2 (Summing Amplifier) a*cos(ω2t) * Data (D1) (sortie démodulateur 1) a* cos(ω1t) * Data (D2) (sortie démodulateur 1) Lorsque l on parle de modulation FSK, on peut penser à démodulation. C est pour cela que nous avons visualisé à l oscilloscope les différentes étapes de la démodulation FSK : signal modulé sortie de la PLL sortie du filtre sortie du comparateur Quelques petites explications sur ces signaux : - le signal modulé non viens donc de la modulation ; - la PLL est en quelque sorte un convertisseur fréquence/tension. Grâce à la PLL, la porteuse est totalement synchrone avec la fréquence du signal modulé ; - le filtre passe-bas nous permet d obtenir la valeur moyenne du signal ; - et le comparateur va comparer sa valeur de seuil au signal et va nous donner un signal carré Modulation de Phase PSK: Rappel de base de la modulation PSK : φ Data 0 1 Saut de phase de π π Porteuse 0 a*cos(ωt) a*cos(ωt + π) 31

32 On émet les Data sans le code de synchronisation : Data NRZ(M) sortie bipolaire sortie du modulateur On peut bien voir les sauts de phase La démodulation PSK fonctionne de la façon suivante : l élévation au carré du signal PSK enlève le saut de phase et double la fréquence. La sortie de la PLL est divisée par 2 afin de retrouver la fréquence d horloge. Ce signal commande un multiplexeur analogique qui laisse passer le signal qui est par moment en moyenne négatif (signal en phase) et par moment en moyenne positif (signal en opposition de phase). Après passage par un filtre passe-bas, on remet le signal en forme par un comparateur. Les chronogrammes suivants correspondent aux différentes étapes de la démodulation PSK : Data NRZ(M) sortie PSK demodulator sortie filtre sortie comparateur 4. Modulation à 4 états de Phase: Le schéma de principe est le suivant : 32

33 ou Université Montpellier II π Les 2 porteuses sont les mêmes mise à part que l une est déphasée de π/2 par rapport à l autre (quadrature). Suivant la valeur de Data par laquelle est multipliée la porteuse, on aura un déphasage de 0, π/2, -π/2. Cependant, il s agit d un déphasage relatif, ce qui signifie que les sorties d un même multiplieur seront déphasées de π. Dans le plan de Frenel (plan de phase), on peut représenter S(t) selon la figure suivante: On voit que l'on peut transmettre 2 bits consécutifs à la fois ce qui réduit la fréquence de l'horloge de transmission et l'occupation fréquentielle d'un facteur 2 (compression d'un facteur 2 des data). Il y a tout de même un inconvénient pour la démodulation qui a besoin de connaître la phase absolue de S(t) et donc d'insérer dans le message des signaux de synchronisation rendant possible la démodulation cohérente (analogie avec le passage du "reset" dans le TP MODICOM 2). Afin d'éviter cet inconvénient, on utilise alors la modulation différentielle à 4 états de phase (MPD4). Chaque couple de data (ou dibit : A1A2) introduit un saut de phase qui s'ajoute à la phase précédente suivant le tableau suivant : Φ -π A1A2 Old New I Q I Q π/ π/

34 Afin de mettre en oeuvre cette étude concernant la modulation à 4 états de phase, on se servira des données fabriquées par la carte MODICOM 3/1. On enverra la valeur continue de DC1 dans les entrées CH0 et CH1 sans le code de synchronisation. En changeant les valeurs de DC1 et en revenant à 0, nous avons retrouvé les 4 possibilités pour les sorties LSB et MSB (New IQ du tableau précédent) : 00, 01, 10 et 11. Les courbes suivantes correspondent à la porteuse de 960kHz (en phase) ainsi qu'aux signaux en sorties du sommateur où on peut y voir les différents déphasages obtenus : signal en sortie du sommateur porteuse 96OkHz sortie du sommateur porteuse Maintenant, on règle DC1 (MODICOM 3/1) pour avoir comme données dans le convertisseur que l on branche aux entrées CH0 et CH1. La période pour les dibits correspond à 2 trames de Data. On va visualiser les Data et le LSB du dibit du MODICOM 5/1. On sait que la période pour les dibits est de 2 trames, on en déduit donc que la périodicité du LSB du dibit A1A2 est double, donc de 4 trames de données : 34

35 S = bit de start S S S S S Data 4 trames période du LSB En gardant les mêmes réglages de la synchronisation que précédemment, on a visualisé les sorties des 2 modulateurs avec différents sauts de phase ainsi que celle du sommateur (sauts de phase de π/4, π/2 ou 3π/4) : π/4 modulateur 1 -π/2 π/4 π/2 -π/2 modulateur 2 sortie 3π/4 π/2 -π/4 sommateur Maintenant le signal modulé, il va falloir le démoduler. Comme précédemment, en changeant les valeurs de DC1 (MODICOM 3/1) et en revenant à 0, nous nous sommes placés à une valeur de IQ données (LSB et MSB) : 00, 01, 11 ou 10. Les courbes suivantes sont la porteuse 960kHz, le signal modulé QPSK et les sorties I et Q : porteuse 960kHz signal modulé QPSK I output Q output 35

36 En se référant à la page 6 du sujet, on peut en déduire que le déphasage obtenu correspond à un déphasage de 225 au niveau du signal modulé (New IQ), avec un I output niveau moyen > 0 et un Q output niveau moyen > 0. 36

37 IV. Nouvelles technologies 4. TNT (Télévision Numérique Terrestre) : 4.1. Introduction : Cette révolution qui touche tous les français est un merveilleux exemple de progrès effectué dans le domaine de la transmission numérique d information. En effet, si il est aujourd hui possible de recevoir à l aide d une antenne râteau 14 chaînes de qualité égale à celle d un DVD, c est à la suite de beaucoup de travail et de recherche en terme de codage, de modulation et de transport Qu est-ce que la TNT? La TNT (Télévision Numérique Terrestre) est un bouquet de chaînes (actuellement 14 gratuites et à termes une trentaine dont la moitié payantes) lancé le 31 mars et qui va remplacer le réseau des chaînes nationales actuelles. Le principal changement est que l on passe d une technologie analogique à une technologie numérique. Pourquoi cela? Tout d abord pour rendre compatible la télévision avec tout ce qui est du domaine de l ordinateur (Internet ). Ensuite pour atteindre une meilleure qualité au niveau de la réception et enfin pour augmenter de manière très importante le nombre d informations transmises (plus de chaînes, sous-titrages, système d information ) Fonctionnement global de la TNT : 37

38 Le schéma précédent décrit le principe de diffusion de la TNT. On s aperçoit que la mise en place de plusieurs niveaux (national, régional, local) permet l insertion de programmes de proximité et la réalisation de décrochages locaux. Le numérique était déjà employé par les chaînes nationales pour stocker leurs programmes mais le fait de les diffuser par voie hertzienne en numérique est une réelle révolution TNT : une technologie de pointe : On peut diviser celle-ci en 5 points : - le codage de source ; - le multiplexage des programmes ; - le transport (de la tête de réseau jusqu au site de diffusion) ; - la diffusion ; - la réception. On ne traitera que de la diffusion et du type de la modulation qui constitue la principale avancée technologique. En ce qui concerne le codage, il faut savoir que c est un codage en MPEG2 qui a été retenu pour les chaînes gratuites, et le MPEG4 pour les chaînes payantes. Ce codage permet de préserver la qualité numérique et de garantir une excellente qualité des images et des sons. Le multiplexage des programmes, lui, est le fait de pouvoir diffuser 5 à 6 programmes audiovisuels sur la même fréquence là où il n y en avait qu un en analogique. Cette technique permet également l insertion de données telles que le sous-titrage, le système d information ainsi que les services interactifs. Le transport du multiplex de programmes depuis la tête de réseau jusqu au site de diffusion peut se faire par satellite ou via le réseau terrestre (faisceaux hertzien, fibres optiques). 38

39 4.5. La diffusion : la modulation COFDM : Difficultés de la diffusion par voie hertzienne Transmettre un multiplexage de programme numérique par voie hertzienne n est pas chose aisée. En effet, la multiplicité des obstacles entraîne de nombreux retards (ou déphasage) et affaiblissements des signaux émis. Il faut discerner deux phénomènes : le brouillage intersymbole et le brouillage intra-symbole. Le premier correspond à un retard supérieur à une période de symbole (le symbole est un ensemble d informations) et le deuxième à un retard inférieur à un période. Donc, cela implique qu il faut réduire le débit de la porteuse unique correspondant à un canal de fréquence. Les informations susceptibles d être acheminées par une porteuse unique sont dès lors limitées en cas de trajets multiples Pourquoi la modulation COFDM? L idée générale de la modulation COFDM est alors de diviser ce canal de fréquence en plusieurs flux parallèle de débit moins élevé acheminé chacun par sa propre porteuse. En plus de cela, on ajoute au signal une durée de temps mort appelé intervalle de garde. L utilisation d un très grand nombre de porteuses est une perspective presque Il est heureusement simple de résoudre ces problèmes en spécifiant un espacement rigoureusement régulier de f u = 1/T u entre les porteuses, où T u est la période (utile ou active) du symbole pendant laquelle le récepteur intègre le signal démodulé. Les porteuses forment alors ce que les mathématiciens appellent un ensemble orthogonal. Celui-ci est illustré par les schémas cidessous. Division d un canal de fréquence en espace orthogonal (division :Tu,Fu=1/Tu) Placement des symboles pour chaque porteuse 39

40 De plus, dans cette modulation COFDM, il existe des porteuses pilotes de synchronisation (d'amplitude supérieure aux porteuses de données utiles) qui sont insérées pour faciliter le travail du récepteur. Le placement de ces porteuses est le suivant : Place des porteuses pilotes (en clair) Conclusion Cette présentation est une explication très simpliste de la modulation COFDM. Elle permet néanmoins de comprendre les problèmes rencontrés pour la mise en place de la TNT et de s apercevoir que le domaine de la transmission numérique est un monde en pleine expansion et vraiment passionnant. Egalement, il est maintenant possible de comprendre la signification du sigle COFDM : Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex. V. Conclusion Tout au long de cette étude, nous avons parlé de traitement numérique pour cause, certaines méthodes font appel à des opérations mathématiques si complexes qu il serait difficile de les effectuer de façon analogique. Les différents principes développés précédemment dans ce dossier sont la base du traitement numérique de l information mais nous ont tout de même permis de mettre en œuvre les différentes parties fondamentales ainsi que d obtenir une approche plus globale et concrète de ce qu est le traitement numérique de l information. Ceci étant, le traitement du signal est une discipline indispensable que tout ingénieur doit connaître au moins dans ses grandes lignes. L amélioration des performances des systèmes au cours des 20 dernières années est due pour la plus grandes parties à l application des techniques de traitement de signal plutôt qu au perfectionnement du matériel, comme dans le domaine des télécommunications ou même de la vidéo. 40

41 ANNEXE 1 Bibliographie : - Bibliothèque de l'université de Montpellier II. - Isabelle Jelinski Toute l'électronique du premier cycle. Signaux et systèmes numériques, Filtres et modulation. (Vuibert Supérieur). - Hwei P. Hsu Communications analogiques et numériques. Cours et problèmes. Série Schaum. - Jacques Hervé Electronique pour les transmissions numériques. Ellipses. - Cours de BTS électronique et de licence EEA. - Les sites internet sur la TNT :

42 ANNEXE 2 Sujets des TP : MODICOM 3 : Modulation par impulsions codées MODICOM 1 : Echantillonnage MODICOM 2 : Multiplexage MODICOM 5 : Modulations ASK, FSK, PSK et MPD4 42