1. Présentation général de l architecture XDSL :

1. Présentation général de l architecture XDSL : Boucle locale : xdsl (Data Subscriber Line). Modem à grande vitesse adapté aux paires de fils métalliques. La lettre x différencie différents types, comme ADSL ou VDSL Les solutions xdsl, en général ADSL, utilisent la "boucle locale". Cette boucle locale n'est rien que la liaison de cuivre qui relie une prise téléphonique ou premier commutateur téléphonique. Technologie ADSL DSL : Data Subscriber Line ADSL : Asymmetric Data Subscriber Line La technologie DSL exploite la boucle locale en y faisant circuler des porteuses modulées (Modulation d amplitude Quadrique). ADSL fournit a l'abonné une connexion Asymétrique en "download" (voie descendante : du terminal vers l abonné) et en «upload» (voie montante : de l abonné vers le terminal) Le protocole TCP/IP est utilisé pour une liaison ADSL. ADSL Le schéma illustre la structure d un réseau avec accès ADSL. Client ADSL Machine de l'abonné connecté à Internet. Modem Modulateur/Démodulateur conçue pour la technologie DSL. DSLAM Digital Subscriber Line Acces Multiplexer. Appareil permettant de faire converger par multiplexage les données. BAS Broadband Access Server. C'est au niveau du BAS que l'authentification du client va se faire. Serveur RADIUS Attribut les paramètres IP pour la connexion Les liaisons La liaison N 1 : (numérique) Client vers Modem : par liaison USB, Ethernet ou WIFI La ligne téléphonique va véhiculer la téléphonie traditionnelle (POTS) et les porteuses ADSL. La séparation des services se fait au moyen d'un filtre séparateur (Splitter) extérieur.le POTS utilise les fréquences comprises entre 30 Hz et 3,6 KHz, alors que xdsl utilise les fréquences au dessus de 4 KHz. module 7b.doc - 1 -

Le protocole PPP (point à point protocole) transportent le TCP/IP : Le PPPoE pour les liaisons Ethernet et Wifi, ou le PPPoA.pour les liaison USB. La liaison N 2 : (analogique) (entre votre prise téléphonique et le DSLAM) Ces techniques utilisent une modulation en phase et en amplitude (QAM). Avec deux variantes. - CAP (Carrier Amplitude/Phase modulation) - DMT (Discret Multitone Modulation) Se support transporte le protocole TCP/IP. La liaison N 3 : (numérique) utilise l ATM (Asynchronous Transfert Mode). ATM propose une couche qui permet de transporter tous les protocoles de la couche réseau et supérieures dans des cellules ATM (dans notre cas TCP/IP) Les techniques de multiplexage, modulation et codage 2. Multiplexage. L'un des problèmes de la transmission haut débit est l'interférence entre les signaux émis et reçus, si ceux-ci sont situés sur la même bande de fréquences. De plus, l ADSL utilise une bande passante en ligne très supérieure à la bande téléphonique [0, 4 khz]. Deux solutions peuvent être utilisées pour minimiser cette interférence et assurer une communication bidirectionnelle sur la ligne d abonné : Le multiplexage en fréquence FDM (Frequency Division Multiplexing) Cette solution consiste à séparer les bandes de fréquences utilisées en réception et en émission. Pour cela on utilise une technique de multiplexage en fréquence. Cette technique n'introduit pas de nouvelles interférences mais utilise une bande passante plus large ce qui diminue la distance maximale de transmission. Les bandes [20 khz, 140 khz] et [150 khz, 1 100 khz] sont respectivement utilisés pour les flux de données montants et descendants. module 7b.doc - 2 -

Multiplexage à l annulation d écho EC (Echo Cancellation). L annulation d écho permet de véhiculer les flux de données montants et descendants dans la même bande de fréquence. La bande [20 khz, 130 khz] est utilisée par les flux montants et descendants, la bande [130 khz, 1 100 khz] étant réservée au seul flux descendant. L EC autorise des débits plus élevés pour le flux descendant que dans le cas du FDM. Par contre l EC est plus sujette à la paradiaphonie. A l initialisation, le modem doit passer par une phase d apprentissage de la qualité de la ligne qui consiste à mémoriser l amplitude de l écho local en fonction de la bande de fréquence d émission. 3. Modulation et Codage. La transmission ADSL se fait en bande de base pour cela les techniques de codage et modulation sont étroitement liés. Les termes de codage et modulation peuvent être indifféremment utilisés. Il existe différentes façons de traiter la porteuse HF, en fonction de la donnée à transmettre ; dans le cas de l'adsl on utilise, une des deux techniques : - CAP (Carrier Amplitude/Phase modulation) - DMT (Discret Multitone Modulation) Ces techniques utilisent une modulation en phase et en amplitude (QAM). Elles modulent le codage 2B/1Q utilisé notamment pour le RNIS. 4. Codage 2B/1Q Cette technique de codage est apparue pour permettre d'augmenter la distance maximale de transmission nécessaire pour l'introduction du réseau RNIS. Ce codage 2B/1Q fait correspondre à un groupe de deux éléments (2bits: 2B) un créneau de tension, dit symbole quaternaire (1Q), pouvant endosser quatre valeurs différentes. Ce mode de codage est utilisé pour l'hdsl avec une vitesse de modulation de 584000 bauds/s soit un débit supérieur à 1Mbits/s. Cependant, ce codage est à bande de base (transmission à partir de 0 Hz), ce qui ne permet pas l'utilisation simultanée du transfert de données et du service téléphonique (300-3400Hz). module 7b.doc - 3 -

5. Porteuses en quadrature. (QAM) Nous allons utiliser deux porteuses rigoureusement de même fréquence. Elles sont déphasées de 90 Ce qui est déroutant, c'est que lorsque l'on additionne deux porteuses de fréquence f 0 en quadrature, on obtient une seule porteuse, toujours de fréquence f 0 : L'avantage de cette méthode est que la porteuse résultante n'a pas changé de fréquence, mais comme les deux "sous porteuses" en quadrature vont être modulées indépendamment l'une de l'autre, nous pourrons transporter deux fois plus d'informations par cellule. Dans le cas le plus simple, nous allons provisoirement abandonner la modulation en amplitude pour ne garder que la modulation de phase. Phase de la première sous porteuse 0 0 180 180 Phase de la seconde sous porteuse 0 180 0 180 Equivalent binaire 00 01 10 11 Cette façon de faire permet une représentation graphique dans un plan : La partie négative de l'axe représente un déphasage de pi (180 ) Chaque axe représente une sous porteuse. La partie positive de l'axe représente un déphasage nul. Par rapport à ce que nous venons de voir, nous ne gagnons rien de plus qu'une méthode supplémentaire, puisque le nombre de bits pas cellule demeure inchangé. Cette méthode de modulation s'appelle QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). QAM 16. Quadrature Amplitude Modulation. Nous l'utilisons ici avec 16 états, simplement en introduisant deux niveaux de modulation d'amplitude, au lieu d'un seul. Pour chaque porteuse, nous reprenons le tableau déjà vu : Taux de modulation 0,5 0,5 1 1 Déphasage 0 180 0 180 Equivalent binaire possible: 00 01 10 11 module 7b.doc - 4 -

Mais, grâce aux deux sous porteuses en quadrature, nous allons cette fois-ci transporter 4 bits par cellule, donc 2 4 états possibles soit 16 états. De plus en plus compliqué Remarque importante : Sur le codage : Les deux derniers bits désignent l emplacement du point à l intérieur du quadrant. Les deux premiers bits donnes le numéro du quadrant. Nous avons augmenté le nombre de points de la constellation, mais pas la largeur du canal d'émission, puisque le nombre de symboles émis par seconde (bauds) n'a pas changé. Dans la pratique, nous augmentons le débit sans augmentation de bande passante, mais au prix d'une relative fragilité du signal. En effet, les points de la constellation étant plus rapprochés, ils seront plus difficiles à décoder en cas de bruitage de la ligne. QAM 64 (2 6 ), 6 bits par symbole. QAM 128 (2 7 ), 7 bits par symbole Gardons présent à l'esprit que ces manœuvres ont comme conséquences : D'augmenter le débit en bits par seconde sans augmenter pour autant la largeur du canal de communication. De diminuer l'immunité au bruit du signal modulé. Rappel sur le bruit et la gigue de phase : Le choix d une méthode de modulation est essentiellement dépendant du problème particulier à résoudre. Plusieurs paramètres doivent êtres pris en considération : - le débit du signal numérique à transmettre (voir largeur du spectre), - la bande passante du support, - les perturbations introduites par le support (bruit, gigue de phase, distorsions,...), - le coût maximal envisageable. module 7b.doc - 5 -

Le diagramme spatial permet une évaluation approchée des performances comparées de diverses méthodes de modulation vis à vis du bruit et de la gigue de phase. Comportement vis à vis du bruit A chaque instant t, le vecteur OM représente le signal émis. On peut représenter le bruit par un vecteur MM de module maximum déterminé par le rapport signal/bruit (son argument est quelconque). A chaque instant t, le vecteur OM représente le signal reçu. Les points M peuvent donc se trouver dans des disques centrés aux points M. Diagramme spatial : M M 0 x Comportement vis à vis de la gigue de phase A chaque instant t, le vecteur OM représente le signal émis. A chaque instant t, le vecteur OM représente le signal reçu. Les points M peuvent donc se trouver sur des arcs de cercles centrés au point O est de rayon OM. Diagramme spatial : M M x 0 Action combinée gigue de phase et bruit Diagramme spatial : M x 0 module 7b.doc - 6 -

La figure, ci-dessous affiche les différentes modulations QAM qui sont utilisées par les modems ADSL. (4-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM) A la différence du codage 2B/1Q, les code CAP et DMT, dérivés du QAM, sont typiquement passebande et peuvent opérer sur une bande de fréquence spécifiée. Ceci va permettre de séparer les canaux réservés à la ligne téléphonique, la réception et l'émission de données. 6. Modulation CAP (Carrierless Amplitude/Phase modulation) Le codage CAP utilise une porteuse unique. La porteuse modulée est supprimée avant la transmission, d'où le qualificatif de carrierless, puis reconstruite par le modem récepteur. Cette technique est très semblable à la Modulation d'amplitude en Quadrature (QAM) mais n'utilise pas la transposition en fréquence. De ce fait, elle est purement numérique. La bande passante disponible est divisée en trois canaux par un multiplexage FDM. module 7b.doc - 7 -

Les canaux montants et descendants ne sont pas subdivisés en canaux plus étroits. Toute dégradation du rapport signal sur bruit S/B dans une bande de Constellation 2n Nbre de bits/bauds fréquence donnée, perturbe la qualité de l ensemble du canal donc 2-CAP 21 1 réduit la capacité globale de l accès. Cette diminution de la capacité revient à diminuer d un bit la taille du symbole de la constellation, 4-CAP 22 2 c est à dire à réduire par deux les performances. 8-CAP 23 3 Les émetteurs-récepteurs CAP peuvent utiliser des constellations multiples créant 2n valeurs. N peut varier de 2 à 512 en fonction des caractéristiques de la ligne utilisée. On parle alors de N-CAP (2-CAP, 64-CAP, 512-CAP). Cette capacité à changer la taille des constellations, est utilisée par CAP pour s'adapter aux caractéristiques de la ligne. La période symbole du système CAP mono-porteuse est petite. En effet, la rapidité d un modem CAP est de 1 024 khz. Ce qui est pénalisant, par rapport à la durée d un bruit impulsif qui serait égal ou inférieur à 500 µs. 7. Modulation DMT (Discret Multitone) 16-CAP 24 4 32-CAP 25 5 64-CAP 26 6 128-CAP 27 7 256-CAP 28 8 512-CAP 29 9 DMT a été adopté comme Norme par l'ansi et par l'etsi (Institue Européen de Normes de Télécommunications), ce qui permet une plus grande inter-opérabilité entre les équipements des différents constructeurs et le développement de l'adsl. La technique consiste à partager la bande passante disponible en un nombre élevé de canaux. Ces canaux reçoivent une modulation de type QAM et sont transmis en parallèle. Cette technique multi-porteuses nécessite de forts traitements numériques et n'a donc vu le jour qu'à partir du moment où les DSP sont devenus abordables en matière de coûts. Remarque : DSP (Digital Signal Processing) Traitement Numérique du Signal Avantages Pas de dérive : température, vieillissement, valeur des Précision : garantie par le nombre de bits Souplesse : plusieurs tâches simultanées possibles Prototypes : changements par modifications du logiciel Performances : pas de distorsion de phase, filtrage adaptatif Inconvénients Coût : élevé pour des réalisations simples Vitesse : bande passante large = vitesse de calcul élevé Complexité : réalisation à la fois matérielle et logiciel Synthèse sur la norme ADSL : (multiplexage en fréquence FDM, Modulation DMT et QAM) module 7b.doc - 8 -

La norme ADSL spécifie l'utilisation de 256 sous-canaux, chacun des sous-canaux ayant une largeur de 4, 3 125 KHz, soit une largeur de bande globale de 1 104 khz. Le sous-canal 1 est réservé au canal téléphonique analogique. Les sous-canaux 2 à 6 sont réservés à la signalisation du canal téléphonique et servent de bande de garde avec les sous-canaux ADSL. 250 sous-canaux sont utilisés pour transporter le flux ADSL, sur une bande utile qui s étend de 25 khz à 1,1 MHz. La bande de garde entre 2 sous-canaux est de 300 Hz. Chacune des porteuses peut être modulée de 0 à 16 bits/s par HZ, ce qui permet un débit de 64 Kbps pour chacun de ces canaux de transmission. DMT alloue les données de manière à optimiser le débit de chaque canal c'est à dire d'adapter la transmission aux caractéristiques de la ligne téléphonique. Le nombre de bits portés sur chaque porteuse est variable, parce que les capacités internes de transport de chaque porteuse varient en fonction de leur fréquence. Plus la fréquence est élevée, et plus l'atténuation est importante, permettant aux fréquences les plus basses de transmettre le plus d'informations. De plus, on fait varier le nombre de bits par porteuse en fonction des conditions de transmission, en plaçant un nombre plus important de bit sur les canaux les plus robustes. Ainsi, pour éviter les perturbations dues au bruit ou les interférences radio il suffit de coder plus ou moins de bps/hz sur les porteuses. Principe de l allocation de capacité des sous-canaux correspondant au rapport signal sur bruit. Cette adaptation s effectue sur les 250 canaux. Un modem DMT évalue en permanence la qualité de ligne, ce qui lui permet de recalculer dynamiquement la capacité optimale en bit/s par Hertz à affecter à chaque sous-canal. 8. rappel : Grandeurs et unités de transmission * D représente le débit en bits/s. Si T b est la durée d un bit exprimée en secondes, alors : D = 1/Tb. * R représente la rapidité de modulation en bauds. Si T s est la durée d un état électrique exprimée en secondes, alors : R = 1/Ts. * v représente la valence du signal électrique, c est à dire le nombre d états électriques différents qui le constituent. * D maxi = R. log 2 (v) log 2 (v)= ln(x)/ln(2) * Pour un support de transmission sans bruit, NYQUIST a démontré que : Dmaxi = 2 * BP * log2(v) => BP R/2 où R est la rapidité de modulation du signal électrique. Pour un support de transmission bruité, SHANON a démontré que : Dmaxi = BP * log2 (1 + S/B) Pour un codage sur n bits, La largeur de bande passante minimale nécessaire pour transmettre ce débit est alors : Dmax = n bits * R avec R = 2 * BP module 7b.doc - 9 -

Exercices d applications 1) Cas d une modulation combinée de phase et d amplitude avec un signal modulant NRZ. (QAM quadrature amplitude modulation) S(t)=ρ(t).cos (2..F0.t+ 0+ (t)) M(t) 000 001 010 011 100 101 110 111 ρ(t) 1 3 1 3 3 1 3 1 (t) 0 90 180 270 0 90 180 270 * Tracez le diagramme spatial : y 0 x 2) quelle est la particularité de deux porteuses en quadrature lorsqu elles s additionnent sur le support de transmission? 3) sur une modulation QAM 64, combien faut-il de niveau de modulation d amplitude? 4) sur un modem classique (56 Kbits/s), que se passe t il si à un moment donné le bruit et la gigue de phase devient trop importante (trop d erreurs de transmission)? 5) donnez le débit théorique optimale d un modem CAP (CAP max = 512-CAP, BP = 1024 KHz). 6) donnez le débit théorique optimale sur un canal ADSL.( la BP d un canal est de 4 KHz, le nombre maximal de bits par niveaux est de 8 ). 7) en déduire le débit théorique maximum de la voie descendante et montante d une transmission ADSL. 8) avec un modem v92, (Débit max : une voie codé sur 7 bit avec une BP 4 KHz) donnez le débit maximale minimale, puis à 6, 5 et 4 bits. Correction : module 7b.doc - 10 -

1) Cas d une modulation combinée de phase et d amplitude avec un signal modulant NRZ. (QAM quadrature amplitude modulation) S(t)=ρ(t).cos (2..F0.t+ 0+ (t)) M(t) 000 001 010 011 100 101 110 111 ρ(t) 1 3 1 3 3 1 3 1 (t) 0 90 180 270 0 90 180 270 * Tracez le diagramme spatial : y 001 101 110 010 0 000 100 x 111 011 2) quelle est la particularité de deux porteuses en quadrature lorsqu elles s additionnent sur le support de transmission? On obtient une seule porteuse, avec la même fréquence F0. 3) sur une modulation QAM 64, combien faut-il de niveau de modulation d amplitude? 2 P (2+nbr de niveaux de tensions) = 64 => 2 p 6 = 64 => 4 niveau de tensions. 4) sur un modem classique (56 Kbits/s), câbles ou ADSL, que se passe t il si à un moment donné le bruit et la gigue de phase devient trop importante (trop d erreurs de transmission)? Le nombre de bits par symboles diminue donc comme la bande passante reste fixe, le débit de transmission diminue. 5) donnez le débit théorique optimale d un modem CAP (CAP max = 512-CAP, BP = 1024 KHz). 1024 KHz = BP => R = 2x1024 000 = 2048 Kbauds => avec 512 CAP => D = 9x2048 000 = 18,432 Mbps. 6) si on prend le théorème théorique de Nyquist BPmin = R/2, donnez le débit théorique optimale sur un canal ADSL. 4 000 Hz = R/2 => R = 8000 bauds => modulation max => 8 bits/ts => D = 8x8000 = 64 Kbps. 7) en déduire le débit théorique maximum de la voie descendante et montante d une transmission ADSL. Voie montante : (140 20) KHz / 4,3 KHz = 28 x 64 Kbps = 1792 Kbps. Voie descendante : (1104 150) KHz / 4,3 KHz = 222 x 64 Kbps = 14,208 Mbps. 8) avec un modem v92, (Débit max : une voie codé sur 7 bit avec une BP 4 KHz) donnez le débit maximale, puis à 6, 5 et 4 bits. 4 000 Hz = R/2 => R = 8000 bauds => D = 7 Tb/Ts => codage sur 7 bits => 7 * 8000 = 56 Kbps D max 4 000 Hz = R/2 => R = 8000 bauds => D = 6 Tb/Ts => codage sur 6 bits => 6 * 8000 = 48 Kbps 4 000 Hz = R/2 => R = 8000 bauds => D = 5 Tb/Ts => codage sur 5 bits => 5 * 8000 = 40 Kbps 4 000 Hz = R/2 => R = 8000 bauds => D = 4 Tb/Ts => codage sur 4 bits => 4 * 8000 = 32 Kbps module 7b.doc - 11 -

Devoir sur le module N 7 Le diagramme spatial : le modem défini par l avis V27 est destiné à la transmission de données synchrones sur LS aux débit de 4 800 bits/s. Le principe utilisé est la modulation différentielle de phase à 8 états d une porteuse de fréquence 1800 Hz et de tension 4v. Le codage tribit est donné dans le tableau ci-dessous. Données D2 D1 D3 D4 D8 D7 D5 D6 Tribit 001 000 010 011 111 110 100 101 Changement de phase 0 + 45 + 90 + 135 + 180 + 225 + 270 + 315 1) Tracer le diagramme spatial. Pour plus de clarté, D1 = 000 à D8 = 111. L ADSL : Remarque : on se base sur le multiplexage FDM : PB d un canal : 4 KHz, bande de garde entre chaque sous canaux est de 300 Hz. 2) Quel type de modulation utilise la méthode QAM? 3) si on prend le théorème théorique de Nyquist BPmin = R/2, donnez le débit théorique sur un canal ADSL avec une modulation QAM 16. 4) en déduire le débit théorique maximum de la voie descendante et montante d une transmission ADSL en QAM 16. 5) En supposant que la modulation moyenne d une ligne ADSL est en 32-QAM, déterminez la fréquence maximum de la bande passante si l abonnée est en 1024 Kbps. 6) En modulation CAP, donnez le débit maximale d un modem qui à une la modulation 64-CAP. (6 bits/bauds) sous une BP de 1024 KHz. module 7b.doc - 12 -

Correction 1) Tracer le diagramme spatial. Pour plus de clarté, D1 = 000 à D8 = 111. + 4v D3 D4 D1 D8 D2-4V +4v D7 D6-4v D5 2) Quel type de modulation utilise la méthode QAM? Quadrature Amplitude Modulation. : Modulation de phase en quadrature (déphasage 90 ) associée avec une modulation d amplitude. 3) si on prend le théorème théorique de Nyquist BPmin = R/2, donnez le débit théorique sur un canal ADSL avec une modulation QAM 16. BPmin = 4 KHZ = R/2 => R = 4 000 * 2 = 8 000 bauds D = R * 4 = 32 Kbps 4) en déduire le débit théorique maximum de la voie descendante et montante d une transmission ADSL en QAM 16. Voie montante : (140 20) KHz / 4,3 KHz = 28 x 32 Kbps = 896 Kbps. Voie descendante : (1104 150) KHz / 4,3 KHz = 222 x 32 Kbps = 7104 Kbps. 5) En supposant que la modulation moyenne d une ligne ADSL est en 32-QAM, déterminez la fréquence maximum de la bande passante si l abonnée est en 1024 Kbps. A 32-QAM un canal a un débit de : R = 8000 baudes => D = 5x8000 = 40 Kbps/canal => 1024/40 = 26 canaux. 26x4,3 KHz = 111,8 KHz + 150 KHz = 261,8 KHz. 6) En modulation CAP, donnez le débit maximale d un modem qui à une la modulation 64-CAP. (6 bits/bauds) sous une BP de 1024 KHz. 1024 KHz = R/2 => R = 2x1024 000 = 2048 Kbauds => avec 64 CAP => D = 6x2048 000 = 12,288 Mbps. module 7b.doc - 13 -