1.1 Chaîne de transmission 1.2 Rappelschamilo1.grenet.fr/ujf/courses/M1108CODAGE... · 1.2.1...
Transcript of 1.1 Chaîne de transmission 1.2 Rappelschamilo1.grenet.fr/ujf/courses/M1108CODAGE... · 1.2.1...
1
Chapitre 1 : module M1108
Plan : Introduction aux transmissions numériques
1.1 Chaîne de transmission 1.1.1 Canal de transmission 1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ?
1.2 Rappels 1.2.1 Energie et puissance : valeur moyenne et efficace 1.2.2 Le décibel (dB)
1.3 Spectre d’un signal 1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier 1.3.2 Signal quelconque : Transformée de Fourier
1.4 Caractéristiques d’un canal de transmission numérique 1.4.1 Présentation 1.4.2 Débit et bande passante 1.4.3 Rapport signal / bruit 1.4.4 Taux de bit d’erreur 1.4.5 Transmissions synchrone et asynchrone
1.5 Conclusions
2
Chapitre 1 : module M1108
1.1.1 Canal de transmission
• Les grandeurs physiques analogiques transmises sont des grandeurs électriques.
• Différents supports de communication ou médias : câbles coaxiaux, paires torsadées, fibres optiques, propagation hertziennes,...
• Le support de transmission ou la mise en cascade de plusieurs supports forme un canal de communication.
3
Chapitre 1 : module M1108
1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ? (suite)
• Meilleur immunité aux bruits
• Mémorisation & Stockage des informations
• Traitements complexes – Codage, compression, MP3,
Transformée de Fourier
4
Chapitre 1 : module M1108
1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ?
« 1 »
« 0 » 0 1 1 0 0 0 1 0
Erreurs dues à des parasites t
t
Niveaux de gris
Pas d’erreurs liées aux parasites
• Immunité aux bruits – Influence des parasites
– Régénération des informations bruitées
5
Chapitre 1 : module M1108
1.1.2 Transmission de signaux numériques
• 3 nouvelles fonctions – Echantillonnage, Conversion A/N & conversion N/A – Plus complexe et plus cher
• Modulations numériques : – Meilleure exploitation du canal de transmission
• Chaîne de transmission générique – Données, voix ,vidéo, signaux de controle, …
6
Chapitre 1 : module M1108
Plan : Introduction aux transmissions numériques
1.1 Chaîne de transmission 1.1.1 Canal de transmission 1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ?
1.2 Rappels 1.2.1 Energie et puissance : valeur moyenne et efficace 1.2.2 Le décibel (dB)
1.3 Spectre d’un signal 1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier 1.3.2 Signal quelconque : Transformée de Fourier
1.4 Caractéristiques d’un canal de transmission numérique 1.4.1 Présentation 1.4.2 Débit et bande passante 1.4.3 Rapport signal / bruit 1.4.4 Taux de bit d’erreur 1.4.5 Transmissions synchrone et asynchrone
1.5 Conclusions
7
Chapitre 1 : module M1108
1.2.1 Outils mathématiques (rappels) Puissance & Energie
• L’information est contenue dans l’énergie ou la puissance du signal électrique transmis – Relations entre Puissance & Energie
p(t) s(t)
Ru
Exemple de puissance instantanée p(t)
8
Chapitre 1 : module M1108
1.2.1 Outils mathématiques (rappels) Puissance moyenne & valeur efficace
• La puissance moyenne d’un signal périodique
€
Pmoy =1Ru
1T
s2 t( )Ru
.dtt0
T + t0
∫⎛
⎝ ⎜ ⎜
⎞
⎠ ⎟ ⎟ =
Seff2
Ru
• La valeur efficace de la tension – Grandeur indépendante du temps (ou fréquence)
– Exemple : Pour un signal sinusoïdal d’amplitude E la valeur efficace est égale à E/√2 (= 70,7% E)
9
Chapitre 1 : module M1108
Ex. : Puissance d’un signal « carré »
Soit un signal carré s(t) qui peut prendre deux valeurs 0 ou E de période T
- Déterminer l’expression de la valeur moyenne Smoy - Déterminer l’expression de la puissance moyenne dissipée dans une résistance Ru - Quelle doit être la valeur du rapport cyclique α pour que cette tension « carré » dissipe la même puissance qu’une tension sinusoïdale d’amplitude égale à E ?
10
Chapitre 1 : module M1108
1.2.2 Outils mathématiques (rappels) Le décibel (dB) et dBm
• Les signaux de télécommunications varient sur des ordres de grandeurs très différents. Par exemple l’émission GSM est d’environ 2 W alors que la puissance réception minimale est égale à un centaine de pW (10‑12 W).
Exemples Utilisation des dB pour un bilan de liaison
• Le décibel, est bien adapté
– Le dBm exprime une puissance P2 par rapport à P1 =1 mW
11
Chapitre 1 : module M1108
Plan : Introduction aux transmissions numériques
1.1 Chaîne de transmission 1.1.1 Canal de transmission 1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ?
1.2 Rappels 1.2.1 Energie et puissance : valeur moyenne et efficace 1.2.2 Le décibel (dB)
1.3 Spectre d’un signal 1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier 1.3.2 Signal quelconque : Transformée de Fourier
1.4 Caractéristiques d’un canal de transmission numérique 1.4.1 Présentation 1.4.2 Débit et bande passante 1.4.3 Rapport signal / bruit 1.4.4 Taux de bit d’erreur 1.4.5 Transmissions synchrone et asynchrone
1.5 Conclusions
12
Chapitre 1 : module M1108
1.3 Le spectre d’un signal
• Signaux de même valeur efficace mais très différents.
• Leurs expressions en fonction du temps sont :
s1(t)
t
s2(t)
s3(t) s4(t)
s1 :un signal sinusoïdal à la fréquence f0 : s2 : un signal sinusoïdal à la fréquence 3 f0 s3 : un signal continu s4 : signal carré à la fréquence f0
13
Chapitre 1 : module M1108
1.3 Le spectre d’un signal
• Le spectre (ou densité spectrale de puissance) est noté S(f).
• Il représente la répartition de la puissance du signal s(t) en fonction de la fréquence Temps s(t) Fréquence S(f)
x
1/ξ
0 ξ
d(x)
Fonction de Dirac
Spectre du signal « carré » ?
14
Chapitre 1 : module M1108
1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier
• Un signal périodique est décomposable en une somme infinie de signaux sinusoïdaux
• Les coefficients valent
Exercice : Série de Fourier d’un signal « carré »
15
Chapitre 1 : module M1108
1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier signal carré
• Décomposition de Fourier du signal « carré »
s4(t)
Terme fondamental
Fondamental + harmonique 3
Influence du nombre des harmoniques
16
Chapitre 1 : module M1108
1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier Théorème de Parceval
• Le théorème de Parceval permet de déterminer la puissance totale d’un signal en fonction de sa densité spectrale
17
Chapitre 1 : module M1108
1.3.2 Signal non périodique : Transformée de Fourier
• Le spectre d’un signal non périodique peut être obtenu grâce à la transformée de Fourier.
Exercice : Signaux DTMF
• Table des transformées usuelles
18
Chapitre 1 : module M1108
Plan : Introduction aux transmissions numériques
1.1 Chaîne de transmission 1.1.1 Canal de transmission 1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ?
1.2 Rappels 1.2.1 Energie et puissance : valeur moyenne et efficace 1.2.2 Le décibel (dB)
1.3 Spectre d’un signal 1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier 1.3.2 Signal quelconque : Transformée de Fourier
1.4 Caractéristiques d’un canal de transmission numérique 1.4.1 Présentation 1.4.2 Débit et bande passante 1.4.3 Rapport signal / bruit 1.4.4 Taux de bit d’erreur 1.4.5 Transmissions synchrone et asynchrone
1.5 Conclusions
19
Chapitre 1 : module M1108
1.4 Caractéristiques d’un canal de transmission numérique Présentation
Lumière visible
Fréquence (Hz)
Bandes de fréquence
• Deux catégories de transmissions : – Une transmission en bande de base occupe le même spectre que
le signal information . – Une transmission en bande transposée nécessite une translation
du spectre du signal information autour d’une fréquence porteuse (modulation)
Bande de base
Bande transposée Différents canaux de transmission
Exemple connexion réseau
informatique (filaire et Wifi)
20
Chapitre 1 : module M1108
1.4.2 Débit d’une transmission numérique
• Débit binaire : D c’est le nombre de bit transmis par seconde (bps)
• Débit symbole : S c’est le nombre de symbole transmis par seconde (bauds) (ou la fréquence rythme)
• Alors la relation entre les deux est : • avec r le nombre de bits par symbole
associé à la valence v par
€
D = S.r
€
v = 2r
21
Chapitre 1 : module M1108
1.4.2 Débit d’une transmission numérique
• Un signal de valence 16 transmet 4 bits par symbole. Si le débit symbole ( ou fréquence rythme est de 1000 bauds) – Le débit binaire est alors de D=4000 bit/s
• Un signal de débit binaire 8000 bps et de débit symbole de 1000 baud. – Le nombre de bits transmis par symbole est de
r=3 soit une valence de v=8
22
Chapitre 1 : module M1108
Rapport signal à bruit : definition
• Puissance du signal utile
• Puissance du bruit (somme des sources de bruit)
• Rapport signal à bruit
• Grandeur difficile à mesurer !! €
SNR =PSPB
€
SNRdB =10log10PSPB
⎛
⎝ ⎜
⎞
⎠ ⎟
Signal
Bruit
23
Chapitre 1 : module M1108
1.4.3 Capacité d’une transmission numérique
• Il existe toute fois une limite au débit qui dépend du rapport signal sur bruit (S/N) du canal
Signal (S)
Bruit (N) S/N
Puissance
S/N minimum
Bande passante utile
Bande passante totale
fréquence
Le rapport S/N a pour effet de limiter la
bande passante « utile » du canal
Exercice : Télévision numérique
24
Chapitre 1 : module M1108
Exercice • Capacité ligne téléphonique • Par exemple, une ligne téléphonique « classique » depuis la prise abonnée jusqu’au centre de commutation, est
constitué d’une succession de tronçons de paire de cuivre torsadées qui sont interconnectées entre elles dans des sous-répartiteurs. Cet ensemble forme ce que l’on nomme « la boucle locale ». Le commutateur téléphonique (aujourd’hui propriété de FT en France) numérise le signal téléphonique analogique issu de la « boucle locale » sous 8 bits (codage non linéaire) à une fréquence de 8 kHz.
• Déterminer le débit binaire théorique associé à une ligne téléphonique • Pour éviter les problèmes de repliement de spectre lors de la numérisation, un filtre passe bas limite la bande passante
utilisable sur la ligne à 3,4 kHz. De plus, le rapport signal bruit minimum d’une ligne téléphonique est SNR = 50 dB. • En déduire, la capacité maximale d’une ligne téléphonique et la comparer au débit maximum des modems RTC
• Télévision numérique • Actuellement, la définition standard des programmes diffusés sur des télévisions analogiques PAL ou SECAM est de
576 lignes composées de 720 pixels. • La TNT HD propose des résolutions beaucoup plus élevées. La définition de 720 lignes par 1280 pixels/ligne avec un
rafraichissement complet des lignes à chaque image (à f = 50 Hz). • - Norme DVB-T. - Largeur de bande : 8MHz - Modulation DVB-T : 64-QAM. - FEC 7/8, Intervalle de garde 1/32 • - Débit Binaire (paquets 188 octets) : 31,67 Mbit/s ; attribué par programme • Déterminer le débit d’information brute avant compression, si un pixel de couleur est codé par 16 bits • En déduire le taux de compression obtenu avec la norme DVB-T • Si l’on suppose que cette transmission numérique exploite le canal au maximum de son débit, déterminer la
valeur minimale du SNR dans le canal.
25
Chapitre 1 : module M1108
1.4.4 Taux de bit d’erreur
• Le performance globale d’une transmission numérique est exprimée par le taux de bit d’erreur BER en fonction du rapport S/N.
• Elles permettent de déterminer le S/N pour un BER donné. • Le BER prend compte le codage ou la modulation utilisé. • Toutes les courbes de BER ont la forme analogue
Par exemple celle d’une modulation « Manchester » pour des débits égaux à 10 Mb/s, 100 Mb/s et 1 Gb/s.
Seuil de 1 bit d’erreur (en moyenne) tous les 10 milliards
BER
SNR
26
Chapitre 1 : module M1108
1.4.5 Transmission synchrone ou asynchrone
• Transmission synchrone (ex I2C) – Ce type de transmissions nécessite un canal spécial pour la
transmission de l’horloge. – Cette solution est coûteuse en bande passante mais simplifie
la réception • Transmission asynchrone (ex RS232)
– Deux horloges différentes dans l’émetteur et le récepteur. Nécessité de les synchroniser à des instants précis (Trame).
– La dérive entre ces horloges doit être la plus faible. – Gain de bande passante mais nécessité de reconstituer
l’horloge à la réception. – Les transmissions asynchrones sont les plus courantes
27
Chapitre 1 : module M1108
Plan : Introduction aux transmissions numériques
1.1 Chaîne de transmission 1.1.1 Canal de transmission 1.1.2 Pourquoi la transmission de signaux numériques ?
1.2 Rappels 1.2.1 Energie et puissance : valeur moyenne et efficace 1.2.2 Le décibel (dB)
1.3 Spectre d’un signal 1.3.1 Signal périodique : Série de Fourier 1.3.2 Signal quelconque : Transformée de Fourier
1.4 Caractéristiques d’un canal de transmission numérique 1.4.1 Présentation 1.4.2 Débit et bande passante 1.4.3 Rapport signal / bruit 1.4.4 Taux de bit d’erreur 1.4.5 Transmissions synchrone et asynchrone
1.5 Conclusions
28
Chapitre 1 : module M1108
1.5 Conclusions
• Rappels de notions indispensables : – dB, rapport de puissance S/N (ou SNR)
• Présentation de la représentation spectrale de puissance – Série et transformée de Fourier
• Critères de comparaison de transmissions numériques – Débit, Capacité d’un canal, BER