Généralités sur les signaux et supports Tx

Cours de Techniques & Supports de Transmissions par M. DANDA Samuel, ENSPT/DTR - Mars 2011 1

OBJECTIFS : A la fin de ce cours, l’étudiant devra être capable de : - comprendre les concepts de base d’une chaîne de transmission, incluant les traitements apportés au signal avant et après sa transmission ; à savoir le codage source, le multiplexage (PDH, SDH, WDM), le codage de canal, la détection et correction des erreurs, les modulations ; - maîtriser les configurations et les caractéristiques techniques des différents supports (câbles électriques, faisceaux hertziens, satellites ou fibres optiques) utilisés dans la transmission des informations ; - dimensionner les équipements nécessaires pour une installation ou une extension sur une liaison de transmission ; - assurer la configuration, l’exploitation et la maintenance des équipements d’une liaison de transmission - dimensionner les équipements nécessaires pour une installation ou une extension d’une liaison de transmission par faisceaux hertziens, satellites ou par fibres optiques. PROGRAMME

PREMIERE PARTIE : TECHNIQUES DE TRANSMISSIONS CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES SIGNAUX ET SYSTEME S DE TRANSMISSIONS I-1. Introduction

I-2. Informations et signaux à transmettre I-3. Notions de transmission en bande de base et sur fréquence porteuse I-4. Notion d’horloge et de synchronisation en Télécommunications I-5. Bande passante d’un canal I-6. Notion de bruit – Rapport signal sur bruit. I-7. Débit numérique et rapidité de modulation I-8. Interférence inter symboles I-9. Notion de régénération - Erreurs I-10. Les types de systèmes de transmissions

I-11. Architecture générale d’une chaîne de transmission numérique CHAPITRE II : CONVERSION ANALOGIQUE-NUMERIQUE

II-1. Echantillonnage II-2. Quantification – compression -codage II-3. Conversion numérique - analogique

COURS TECHNIQUES ET

SUPPORTS DES TRANSMISSIONS


CHAPITRE III : MULTIPLEXAGE

III-1. Introduction III-2. Multiplexage à Répartition en Fréquence (FDM) III-3. Multiplexage temporel (TDM) III-4. Multiplexage pour hauts débits (SDH) III-5. La technique CDMA III-6. Multiplexage en longueur d’ondes (WDM)

CHAPITRE IV : CODAGE CANAL IV-1. Intérêt du codage ligne IV-2. Codes et leurs caractéristiques IV-3. Contrôle et correction des erreurs.

CHAPITRE V : MODULATIONS NUMÉRIQUES SUR FREQUENCE PORTEUSE

V-1. Définition et intérêt des modulations V-2. Principe des modulations numériques V-3. Les modulations par saut d’Amplitude (ASK) V-4. Les modulations par saut de Phase (PSK) V-5. Les modulations d’amplitude en quadrature (MAQ) V-6. Les modulations par saut de Fréquence (FSK) V-7. Comparaison des différents types de modulations V-8. Domaines d’application

DEUXIEME PARTIE : SUPPORTS DE TRANSMISSIONS

CHAPITRE VI : TRANSMISSION PAR CABLES VI-1. Paramètres des lignes VI-2. Le câble à paires symétriques

VI-3. Le câble coaxial VI-4. Les problèmes affectant les câbles

CHAPITRE VII : SYSTEME DE TRANSMISSIONS PAR FAISCEA UX HERTZIENS

VII-1. Introduction à la transmission hertzienne VII-2. Principe de la transmission hertzienne VII-3. Les fonctionnalités d’un équipement de faisceaux hertziens VII-4. Les plans de fréquences VII-5. Structure des équipements de faisceaux hertziens VII-6. Exploitation et maintenance


CHAPITRE VIII : SYSTEMES DE TRANSMISSIONS PAR FIBRE S OPTIQUES

VIII-1. Introduction générale VIII-2. Les fibres optiques VIII-3. Les émetteurs optiques VIII-4. Les récepteurs optiques VIII-5. Quelques composants optiques VIII-6. Configuration des liaisons optiques VIII-7. Mesures sur les systèmes à fibres optiques

CHAPITRE IX : SYSTEME DE TRANSMISSIONS PAR SATELLIT ES IX-1. Généralités IX-2. Orbite des satellites IX-3. Structure et fonctionnement d’un système de communication par satellite IX-4. Les systèmes VSAT IX-5. Quelques systèmes mondiaux à satellites

BIBLIOGRAPHIE 1- Claude Servin, « Réseaux et Télécoms », Dunod 2003. 2- Pierre Lecoy, « Principes et Technologies des Télécoms », Lavoisier 2005. 3- P. G. Fontolliet, « Système de télécommunications : bases de transmission », Dunod 4- Hwei, P. Hsu, « Communications analogiques et numériques : cours et problèmes », Série Schaum, McGraw-Hill 5- J. G. Rémy, J. Cueugniet et C. Siben, « Systèmes de radiocommunication avec les mobiles », Eyrolles 6- M. Bellanger, « Traitement numérique du signal : théorie et pratique », Eyrolles 7- Dennis Roddy, John Coolen, « Electronic communications », Prentice Hall International


CHAPITRE I : I-1. INTRODUCTION

La fonction Transmission en télécommunications désigne l’ensemble des moyens et dispositions techniques mis en œuvre pour qu’un message émis en un point A se propage jusqu’en un point B plus ou moins distants de A, avec une qualité de réception acceptable, donc avec le moins de perturbations possibles.

Notons que la fonction transmission intervient chaque fois que l’on veut interconnecter deux nœuds ou deux équipements distants dans un ou plusieurs réseaux. Il s’agit par exemple d’établir une liaison entre :

- deux ou plusieurs terminaux entre eux ; - un terminal à un autocommutateur ou à un routeur ; - deux autocommutateurs ; - deux routeurs ; - un autocommutateur à un routeur, etc.

Bref, il s’agit d’interconnecter deux équipements qui doivent échanger des informations, en supposant d’éventuelles fonctions de commutations déjà effectuées.

Par ailleurs, pendant sa transmission, le signal peut subir une dégradation de forme (distorsion) et/ou une diminution d’amplitude (atténuation) qui peuvent le rendre méconnaissable. Ainsi, face aux différents problèmes rencontrés pendant la transmission d’un signal, des solutions appropriées sont adoptées : le traitement du signal.

La transmission peut se faire directement par câble ou en utilisant un

convertisseur de média (émetteur-récepteur).

GENERALITES SUR LES SIGNAUX

ET SYSTEMES DE TRANSMISSIONS

Fig.I-1 : Schéma Synoptique d’une simple liaison de transmission par câble (liaison téléphonique filaire par exemple)

Information Information Signal

électrique Signal

électrique CABLE

Terminaux

Infor- mation Signal électrique

Terminaux

Signal électrique Infor- mation

a) Liaison unilatérale (simplex)

CANAL DE TRANSMISSION Information Information



E M E T T E U R

R E C E P T E U R


Lorsque l’on utilise un émetteur-récepteur ou convertisseur de média, le canal

de transmission peut être : - l’atmosphère parcourue par les ondes radioélectriques. On parle alors de

transmissions radioélectriques (FH, liaisons satellitaires, liaisons sans fils, …) ;

- la fibre optique. Dans ce cas, on parle de transmissions optiques (transmissions par fibres optiques) ;

- le câble électrique ; on parle de transmission par câble (transmission des données, TV par câble, liaison filaire ADSL).

I-2. INFORMATIONS ET SIGNAUX A TRANSMETRE I-2-1. Nature des signaux Les réseaux de transmissions sont destinés à acheminer une grande variété de signaux représentant des sons (parole, musique), des images (télévision, visiophone, télécopie) ou d’autres types d’informations (télex, données numériques). a) Le signal téléphonique La téléphonie a pour objet la transmission de la parole. Le signal électrique reproduisant cette dernière est engendré par un microphone au départ, et reçu par un écouteur à l’arrivée.

Les sons audibles découlent des mouvements vibratoires de fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz. Cependant, dans cette bande, seules les composantes de fréquences comprises entre 300 et 3 400 Hz comportent le maximum d’énergie. C’est pourquoi en téléphonie, on limite la bande de fréquences vocales à transmettre à une plage de 300 à 3 400 Hz. Cette bande a été normalisée par l’UIT-T (Union Internationale des Télécommunications, secteur Normalisation des Télécommunications).

Fig. I-3 : Bande des fréquences vocales en Téléphonie

0 300 Hz 3 400 Hz f

Fig.I-2 : Schéma Synoptique d’une liaison de transmission avec Emetteur-Récepteur

b) Liaison bilatérale (full et half-duplex)

CANAL

DE

TRANSMISSION

Information Information



E M E T T E U R

R E C E P T E U R

Information Information



R E C E P T E U R

E M E T T E U R


b) La modulation sonore en radiodiffusion et télévision Il s’agit du signal sonore destiné à la radiodiffusion ou à l’accompagnement d’un programme de télévision. Les circuits de transmissions destinés à transporter un tel signal doivent assurer une reproduction plus fidèle de ce signal à destination, par rapport aux circuits téléphoniques. Cela est dû au fait que le signal sonore à transmettre est constitué non seulement de la parole, mais aussi d’une grande variété des sons musicaux qui couvrent un spectre de fréquences plus large. L’UIT-T recommande une bande allant de 50 à 10 000 Hz pour un son de qualité normale, et de 30 Hz à 15 000 Hz environs pour un son de haute qualité. c) Le signal d’image (Télévision et télécopie)

Dans le cas de la transmission des images en télévision, la caméra effectue un balayage de l’image point par point et ligne par ligne de gauche à droite et de haut en bas constituant une trame, puis génère une tension électrique dont la valeur est fonction de l’intensité et de la couleur de la lumière issue de chaque point. Le nombre de lignes est caractéristique de la norme de télévision utilisée (norme à 525 lignes ou à 625 lignes). De plus, pour donner l’impression de l’image animée, 25 trames sont transmises chaque seconde.

A l’extrémité réception, le récepteur génère des points dont la luminosité et la couleur dépendent des niveaux de tensions reçues. C’est l’agencement des points de luminosité et de couleur différentes qui reconstitue les images.

Le signal vidéo occupe une bande de fréquence pouvant aller jusqu’à 6 MHz.

La télécopie utilise également le principe de balayage de l’image et la génération des signaux correspondant à chaque point. La différence se trouve au niveau de la nature des signaux générés. En effet, les signaux générés en télécopie sont numériques, alors qu’ils sont analogiques en télévision. d) Les données numériques.

Pour le cas de la transmission des données (images fixes, textes, sons, musiques, images animées) à partir des ordinateurs, il existe des applications logicielles spécifiques à chaque type d’informations, et qui font la traduction, c’est-à-dire le codage de ces informations en signaux électriques numériques binaires (c’est-à-dire formés d’impulsions à deux états) et vice-versa (JPEG pour la photographie, MPEG pour la vidéo, MIDI pour les sons et la musique, Codage ASQCII pour le texte).

Exemple du codage ASCII (American Standard Code for Information Exchange) ou EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) pour le codage des caractères alphanumériques.


La transmission des données est caractérisée par le débit numérique qui est le nombre de bits transmis par seconde.

En Télécommunications, les informations à transmettre sont de nature variée : sons (parole), image, texte, données… etc. A chaque type d’informations correspond un terminal approprié pour la conversion information signal électrique (voir tableau ci-dessous).

Fig. I-5 : Tableau récapitulatif des convertisseurs information-signal électrique

I-2-2. Représentation des signaux

Pour traiter et analyser les signaux, il est habituel d'étudier conjointement leur comportement dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel. On utilise pour cela deux types de représentations :

- représentation temporelle ;

Convertisseurs Informations

Convertisseur information-signal

électrique (émission)

Convertisseur signal électrique-information

(réception) Parole Musique Autres sons

Microphone Ecouteur (haut-parleur)

Images Caméra Téléviseur, Ordinateur

Scanner+ordinateur Ordinateur Textes Télécopieur (Fax) Télécopieur Données Ordinateur Ordinateur

Fig. I-4: Codage ASCII


- représentation spectrale. a) Représentation temporelle

Elle donne des informations sur les variations du signal en fonction du temps. Son utilisation semble assez naturelle et permet de mettre en évidence certaines caractéristiques du signal :

- Signal périodique (durée de la période, fréquence) ou non périodique ; - Valeur de l'amplitude (amplitude moyenne, amplitude maximale…) ; - Signal analogique ou discret. C’est la représentation la plus couramment utilisée.

A titre d’exemples, représentons un signal sinusoïdal de fréquence f0 (donc de

période T0 = 1/f0) et un signal carré en fonction du temps.

b) Représentation spectrale La représentation temporelle est insuffisante pour caractériser un signal. En

effet, lorsqu’un signal emprunte un canal de transmission (paire symétrique, câble coaxial, …) et traverse divers systèmes (amplificateurs, transformateurs, …), l’ensemble canal plus éléments divers se comporte comme un filtre. Il est donc fondamental de savoir comment un signal sera affecté par ce filtre. La représentation spectrale ou fréquentielle permet donc de prévoir le comportement d’un signal à

Période T0

Fig. I-6: Représentation temporelle d’un signal sinusoïdal

-Vm

t

+Vm v(t)

T

t

Fig. I-7: Représentation temporelle d’un signal carré

- V

+ V

Amplitude


travers un canal de transmission. Elle fait ressortir la répartition de l’énergie en fonction de la fréquence, ceci notamment afin de rendre compatibles le signal et son canal de transmission.

C’est le cas par exemple de la modulation d'amplitude qui permet de transmettre un signal (voix, musique) par voie hertzienne, dans le cas d'une station de radio. Par ailleurs, cette répartition spectrale est basée sur le théorème de FOURIER. En effet, selon ce dernier, tout signal périodique f(t) de fréquence F = 1/T est décomposable en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquences nF, n étant un nombre entier allant de 0 à l’infini.

f(t) = f(t+nT) = ( )∑∞

=+

0

)()(n

nn tnSinbtnCosa ωω ; avec ω = 2πF

A titre d’exemple, si nous faisons la représentation spectrale du signal sinusoïdal ci-dessus, nous obtenons une raie correspondant à la fréquence du signal.

Pour le signal carré ci-dessus, la décomposition en séries de FOURIER de la fonction f(t) représentant ce signal donne les coefficients de FOURIER ci-dessous :

Ainsi, a1 = πV4 , a3 = π3

4V− , a5 = π54V , a7 = π7

4V− , … etc.

La fonction f(t) peut donc s’écrire :

f(t) = πV4 [Cos(ωt) -

31 Cos(3 ωt) +

51 Cos(5 ωt) -

71 Cos(7 ωt) + …..]

où

a0 = ∫T

dttfT

0

)(1 ; b0 = 0

Pour n≠ 0

an = ∫T

dttnCostfT

0

)()(2 ω

bn = ∫T

dttnSintfT

0

)()(2 ω

Fig. I-8: Représentation fréquentielle d’un signal sinusoïdal

f0 0

Energie

Fréquence (Hz)

KVm2

bn = 0 (fonction paire) a0 = 0 (moyenne nulle) a2p = 0, p ∈ N

a2p+1 = π)12()1(4

+−

pV p

, p ∈ N


-A/5

+A/5

+A/3

-A/3 t

-A

+A

Avec ω = Tπ2 .

On peut reconstituer graphiquement la représentation temporelle de v(t) en faisant la somme point par point des représentations temporelles de ses différentes composantes. D’où le schéma ci-dessous :

Sur ce schéma ne sont représentées que la fondamentale et les deux premières harmoniques. Il faut prendre en compte toutes les autres harmoniques.

La représentation spectrale de ce signal est la suivante :

Cette représentation indique que le signal carré occupe une largeur spectrale infinie. Il nécessite théoriquement un support de bande passante infinie pour sa transmission. Mais, un tel support n’existe pas réellement. Cependant, on constate que l’énergie du signal est concentrée dans la raie fondamentale et les premières harmoniques. Il est donc nécessaire de choisir un support qui va permettre de transmettre le maximum d’énergie du signal, ceci visant à minimiser les distorsions du signal.

KV2

25

2KV 9

2KV

f 0

Fig. I-10: Représentation fréquentielle d’un signal carré

3f 0 0

Energie

Fréquence (Hz)

5f 0

harmonique de rang 5

Signal carré original Fondamentale harmonique de rang 3

Fig. I-9 : Représentation temporelle d’un signal carré comme somme de ses composantes


Si une fonction n'est pas périodique, elle ne peut pas être représentée par une série de Fourier pour tout x. Dans un tel cas, on peut tout de même représenter la fonction en termes de sinus et de cosinus, à la différence que la série de Fourier devient l'intégrale de Fourier.

Une fonction F(ω) est appelée la Transformée de Fourier de f(x), si

F(ω) = F{f(t)} = ∫+∞

∞−

−dttf e

tjω)( existe.

La fonction F-1{F(ω)} = ∫+∞

∞−

ωωπω

dFexj

)(21 est appelée la transformée de Fourier

inverse de F(ω) La représentation spectrale d’un signal non périodique donne un spectre

continu et non un spectre discret.

I-2-3. Types de signaux On peut classer les signaux en deux grandes catégories : les signaux

analogiques et les signaux numériques.

a) Les signaux analogiques Ce sont des signaux qui varient de façon continue dans le temps. Autrement dit, entre deux instants quelconques, le signal possède une infinité de valeurs.

Exemple 1 : Signal analogique quelconque

Exemple 2 : Signal analogique particulier : signal sinusoïdal

Fig. I-11: Représentation d’un signal analogique quelconque

t

v(t)


V(t) = Vm Cos(0T

2π t + ϕ)

Vm = Amplitude

T0 = Période et f0 = 0T

1 = fréquence

ϕ = Phase initiale. Le signal téléphonique et celui de radiodiffusion sont des signaux analogiques. b) Les signaux numériques. Définition et représentation Les signaux numériques sont des signaux qui varient de façon discrète dans le temps. Un signal numérique possède un nombre fini de valeurs entre deux instants quelconques. Terminologie Un état significatif correspond à l’une des valeurs que peut prendre le signal numérique. Un instant significatif est l’instant de passage du signal d’un état significatif à un autre.

Période T0

Fig. I-12: Représentation temporelle d’un signal analogique particulier : le signal sinusoïdal

-Vm

t

+Vm v(t)

Intervalle significatif

Instants significatifs

Fig. I-13: Représentation d’un signal numérique binaire

1 0 1 1 0 1 0 0 1

t 0

+ V

Amplitude Etats significatifs


Un intervalle significatif est la durée minimum d’un état significatif. Un élément binaire (BIT mis pour Binary DigiT) est le symbole mathématique que l’on matérialise par un signal électrique ; C’est la plus petite quantité d’information que l’on puisse transmettre. La valence d’un signal est le nombre d’états significatifs distincts d’un signal numérique.

Le débit binaire est le nombre de bits transmis par unité de temps. Après la présentation des signaux, le prochain chapitre présente les traitements

apportés sur ces signaux dans le but de les adapter sur le support de transmission.

I-3. QUELQUES CONCEPTS DANS LES RESEAUX DE TRANSMISSIONS I-3-1. Notions de transmission en bande de base et sur fréquence porteuse

En Télécommunications, on distingue deux principaux modes de transmission des signaux :

- la transmission en bande de base qui n’introduit pas d’écart de fréquence entre les signaux émis et ceux reçus. Autrement dit, le spectre initial du signal est transmis sans modification. Cette définition n’exclut les modifications du signal apportées par le codage pour mieux l’adapter aux caractéristiques du support de transmission (exclusivement le câble dans ce cas).

- la transmission par fréquence porteuse où le spectre du signal à initial est translaté autour d’une fréquence centrale appelée fréquence porteuse. Le signal est donc transmis à l’aide d’une porteuse par le processus de la modulation. Le spectre initial du signal à transmettre se trouve donc modifié pendant la transmission.

La figure ci-dessous présente les deux types de systèmes de transmissions.

La figure ci-dessous présente le schéma d’un émetteur-récepteur bande de Base.

Fig. I-14 : Transmission en bande de base et sur fréquence porteuse

ERBdB = Emetteur-Récepteur Bande de Base


I-3-2. Notion d’horloge et de synchronisation en Télécommunications Dans les réseaux des télécommunications, les signaux sont souvent traités à un rythme particulier : définition des instants de codage des signaux, de multiplexage, cadence de fonctionnement d’un modulateur, instants de lecture d’un signal en réception en vue de la mise en forme (régénération), rythme d’envoi des signaux sur une liaison de transmission, …etc. Ce rythme ou cadence est définie par une horloge.

Sur une liaison de transmission, l’émetteur envoie des données selon une cadence définie par une horloge qu’on appelle horloge d’émission. Pour décoder correctement la suite des bits reçus, le récepteur doit examiner ce qui lui arrive à une cadence identique à celle de l’émission des bits sur le support. Les horloges du récepteur et de l’émetteur doivent donc battre en harmonie.

Il ne suffit pas que les horloges battent au même rythme, encore faut-il que les instants d’analyse des niveaux électriques soient les mêmes pour les deux éléments ; ils sont dits en phase.

L’opération qui consiste à asservir l’horloge de réception sur celle de l’émission s’appelle synchronisation.

Par ailleurs, la synchronisation des différentes horloges mises en œuvre dans les systèmes de transmissions est l’une des préoccupations principales des concepteurs de ces systèmes. Les dérives d’horloges, par conséquent la perte de synchronisation sont les principales causes de pertes des données et des erreurs de transmission dans les réseaux.

A titre d’illustration, sur le schéma ci-dessous, les bits sont émis au rythme de

l’horloge locale de l’émetteur que nous supposons stable. L’horloge du récepteur est supposée fonctionner à la même cadence ou fréquence (nombre d’instants significatifs par seconde identique). Cependant, rien ne permet de garantir sa stabilité. La fréquence de l’horloge du récepteur peut varier fluctuer (varier momentanément). En admettant que lors de la réception du premier bit, l’horloge du récepteur soit parfaitement calée sur l’horloge de l’émetteur (synchronisée), la dérive de l’oscillateur locale du récepteur fait que quelques bits plus tard, l’instant significatif de lecture est sur le bit suivant ou précédent selon le sens de la dérive. En admettant que l’instant d’interprétation du signal reçu corresponde au front descendant de l’horloge de réception, la dérive illustrée (dérive positive) montre que du fait de cette dernière, le 5e bit est omis : une erreur de transmission est apparue.

Fig. I-15 : Schéma d’un émetteur-récepteur Bande de Base


En général, le signal de synchronisation peut être transmis sur un lien

spécifique ou déduit du train binaire reçu. La première méthode étant plus onéreuse (car nécessitant un support supplémentaire), c’est la seconde méthode qui est plus utilisé par les équipements terminaux ; l’horloge de réception est souvent extraite du tarin binaire transmis.

I-3-3. Bande passante d’un canal

L’impulsion électrique représentative d’un élément binaire est affaiblie et déformée par le système de transmission.

Fig. I-16: Illustration d’une erreur créée par une perte de synchronisation

Fig. I-17: Principe d’asservissement de l’horloge du récepteur


A l’extrémité de la ligne, le récepteur doit identifier et décoder le signal. Cette fonction ne peut être valablement réalisée que si le signal n’a pas été exagérément modifié pendant la transmission. Ces modifications dépendent d’une part de la nature du signal (spectre du signal), et d’autre part de la réponse en fréquence du système (bande passante). Pour étudier le comportement d’un système en régime non sinusoïdal, on peut étudier celui-ci pour chacune des composantes du signal auquel il sera soumis. La réponse en fréquence de ce système est obtenue en en utilisant un générateur dont on fait varier la fréquence à tension constante (générateur de fréquence). La mesure de la puissance en sortie du système permet de tracer une courbe, dite courbe de réponse en fréquence du système. La courbe de la figure ci-dessous montre que le système de transmission ne transmet pas toutes composantes de la même manière. Dans ces conditions, le signal en sortie, le signal en sortie du système n’est plus l’image de celui en entrée, on dit qu’il y a distorsion.

La distorsion est dite en amplitude quant les éléments constitutifs du signal,

fondamental et harmoniques, ne sont pas affaiblis de la même manière. La distorsion est dite de phase quand les différents éléments du signal ne sont pas tous transmis dans les mêmes délais. Les distorsions d’amplitude et de phase sont généralement indissociables ; Cependant, la distorsion d’amplitude est plus importante que la distorsion de phase. Les systèmes de transmissions (lignes, amplificateurs, filtres, …) ne transmettent pas toutes les harmoniques du signal de façon identique. Les signaux sont transmis avec une distorsion faible jusqu’à une certaine fréquence appelée fréquence de coupure. Au delà de cette fréquence, toutes les harmoniques sont fortement atténuées. On appelle bande passante l’espace de fréquence tel que tout signal appartenant à cet intervalle, ne subisse au plus, qu’un affaiblissement déterminé par rapport à un niveau de référence moitié de la puissance maximale).

L’affaiblissement en décibels (dB) est donné par la relation : A = 10 log10 (P1/P0) où P1 est la puissance en sortie du système, et P0 la puissance de référence.

Fig. I-18 : Déformation d’une impulsion par le système de transmission

Fig. I-19 : Tracé de la courbe de réponse d’un système


La bande passante est définie pour une atténuation en puissance de moitié, ce qui correspond à – 3 dB.

La largeur de bande d’un signal correspond à la bande passante minimale que le système doit posséder pour restituer correctement l’information. Ainsi, la bande passante qualifie le système, et la largeur de bande le signal. Sur le plan numérique, la bande passante qualifie le débit maximal que peut accepter un système de transmission. Dans ce cas, un signal ne sera convenablement transmis à travers ce système que si son débit est inférieur à la bande passante. I-3-4. Notion de bruit – Rapport signal sur bruit. Les signaux transmis sur un canal peuvent être perturbés par des phénomènes électriques ou électromagnétiques désignées sous le terme général de bruit . On distingue essentiellement deux types de bruit : le bruit blanc et la bruit impulsionnel. Le bruit blanc provient de l’agitation thermique des électrons. Ses composantes (raies de fréquences) sont uniformément réparties sur le spectre de fréquences. D’amplitude généralement faible, il peu gênant pour les transmissions. Le bruit impulsionnel est une perturbation brève qui a pour origine l’environnement physique du canal de transmission (parasite d’origine électromagnétique). D’intensité élevée et d’apparition sporadique, il provoque des erreurs de transmissions pouvant porter sur un nombre élevé de bits à la fois. On définit aussi, pour caractériser une liaison de transmission, le rapport signal sur bruit qui est le rapport entre la puissance du signal sur celle du bruit.

où Ps est la puissance du signal et Pb celle du bruit. S/B = rapport signal sur bruit en dB

Une liaison sera d’autant meilleure que le rapport signal sur bruit sera le plus élevé possible.

Fig. I-20 : Bande passante à -3 dB pour un système

S/B (dB) = 10 log10 (Ps/Pb)


I-3-5. Débit numérique et rapidité de modulation Le débit binaire sur une liaison est le, nombre d’éléments binaires (bits) d’informations transmis par unité de temps, et s’exprime en bit/s. Le débit de symboles, dit aussi rapidité de modulation, est l’inverse de la durée θ d’un état, et s’exprime en bauds. Un état ici correspond à l’intervalle de temps pendant lequel le niveau du signal est constant. L’horloge qui rythme cette transmission a une fréquence dont la valeur Fr est égale à la rapidité de la modulation. Débit (D) et rapidité de modulation (R) sont liés à la bande passante (∆F) du canal de transmission. Leurs valeurs maximales théoriques sont données par la théorie de l’information : En transmission en bande de base :

Formule de NIQUIST

La rapidité de modulation s’exprime en Bauds

Formule de Shannon Où : Ps/Pb est le rapport de la puissance du signal sur celle du bruit. Exemple : Quelle sont la rapidité de modulation et la capacité maximale de transmission sur une voie téléphonique de bande passante 300-3400 Hz avec un rapport signal sur bruit de 1000 ? I-3-6. Interférence inter symboles a) Définition

Un canal de transmission se comporte comme un filtre passe-bas ; les différentes composantes spectrales sont atténuées (distorsion d’amplitude) et retardées (distorsion de phase). Ceci conduit à l’étalement du signal (augmentation de la durée d’une impulsion). En d’autres termes, l’énergie d’une impulsion (bit à l’état "1") se retrouve à la place du bit suivant. C’est l’interférence inter symbole. Dans des cas limites, la fin d’une impulsion peut même se confondre avec le début d’une autre impulsion non adjacente (voir figure ci-dessous). Dans ce cas, les circuits électroniques ne peuvent plus distinguer deux bits successifs, ce qui va créer des erreurs de transmissions.

Fig. I-21 : Illustration des interférences inter symbole

Dmax = ∆∆∆∆F log2 (1 + Ps/Pb)

Rmax = 2 ∆∆∆∆F


Les interférences inter symboles font que la représentation du signal transmis est une figure qui fait ressortir plusieurs configurations possibles du signal. Cette figure s’appelle le diagramme de l’œil. b) Diagramme de l’œil C’est une figure qui présente toutes les configurations possibles d’un signal numérique après sa transmission. Cette figure est appelée diagramme de l’œil parce qu’elle ressemble à l’œil humain (voir figure ci-dessous).

La région interne (hachurée) au centre de l’œil dans laquelle ne pénètre aucune réponse est appelée ouverture de l’œil. Le diagramme de l’œil permet une évaluation rapide de la qualité de transmission d’un signal numérique. En effet, en relation avec la régénération,

- le trait vertical sur la figure qui correspond à l’ouverture verticale maximale du diagramme définit l’instant le plus favorable pour la régénération du signal ;

- le trait horizontal fait à mi-hauteur de l’ouverture verticale maximale détermine le seuil de décision : toute impulsion reçue au dessus du seuil est considérée comme un « 1 », toute impulsion reçue en dessous étant considérée comme un « 0 ». La régénération sera d’autant meilleure que l’œil sera plus ouvert verticalement

et horizontalement. Par conséquent, une transmission sera d’autant meilleure que si le diagramme de l’œil est plus ouvert.

Fig. I-22 : Diagramme de l’œil


I-3-7. Notion de régénération - Erreurs a) La fonction de régénération En transmission analogique, le signal qui aboutit dans un terminal en réception (ou dans un récepteur de façon plus générale), est le même signal qui s’est propagé de l’émetteur jusqu’au récepteur, même s’il a subit pendant la propagation des effets tels que distorsions, atténuations, amplification, filtrage, …etc. Par contre, en transmission numérique, chaque module traversé par le signal numérique effectue une régénération, c’est-à-dire une reconnaissance des impulsions reçues atténuées et distordues, puis une génération de nouvelles impulsions en bonne forme et traduisant les mêmes informations. Chaque module en communications numériques comporte donc un circuit de régénération qui détecte l’amplitude du signal qui arrive, compare (à des instants dits instants de tests) cette amplitude à une tension de référence ou seuil pour savoir si c’est un « 1 » ou un « 0 » qui avait été envoyé, puis régénère un bit en fonction du résultat :

- si à un instant de test, la tension détectée est supérieure à la tension de référence, le circuit de régénération décide qu’un « 1 » est présent en ligne et émet alors une impulsion en bonne forme, c’est-à-dire calibrée en niveau, en durée et positionnée dans le temps ;

- si à un instant de test, la tension détectée est inférieure à la tension de référence, le circuit de régénération décide qu’un « 0 » est présent en ligne et n’émet aucune impulsion en ligne, jusqu’au prochain test.

Fig. I-23 : Circuit de régénération des signaux numériques

S(t) E(t) DETECTION DE SEUIL ET DECISION

REGENE RATION

RECUPERATION HORLOGE


b) Erreurs - Taux d’Erreurs sur les Bits (TEB)

En transmission numérique, une erreur est la génération par le circuit de régénération d’un bit différent de celui qui a été émis. Le bruit qui affecte un signal numérique pendant sa propagation a pour effet de créer des erreurs de régénération.

La qualité d’une liaison numérique se mesure par le Taux d’Erreurs sur les Bits (TEB), c’est-à-dire le rapport entre le nombre de bits reçus faux sur le nombre total de bits transmis. Une liaison sera d’autant meilleure que le TEB est le plus faible possible. Une liaison de TEB ≤ 10-6 est encore exploitable en téléphonie, mais en transmission des données, Il faut que TEB ≤ 10-9. Dans tous les cas, si TEB ≥ 10-4, la liaison est considérée comme mauvaise et inexploitable.

De façon générale, la qualité des liaisons numériques est meilleure par rapport

à celle des liaisons analogiques, pour la simple raison que les réseaux numériques comportent non seulement des régénérateurs qui remettent en forme les signaux distordus et atténués, mais aussi des circuits détecteurs et correcteurs d’erreurs. Ces derniers arrivent souvent à corriger des erreurs avec une très grande efficacité, d’où une meilleure qualité de transmission observée. Alors que les réseaux analogiques ne disposent pas de pareils circuits.

t0’

Fig. I-24 : Phénomène de régénération et erreur

0

Amplitude

t a) Signal émis

0 0 1 0 1 0 0

Seuil de décision

t0 0

b) Signal après transmission et régénération

Amplitude

t

0 0 1 0 1 0 0

0 0 1 0 1 0 0

1

0

Amplitude

t c) Signal régénéré

Erreur

Instants de décision

Délai de transmission et de temporisation

t0 = délai de transmission


I-4. LES TYPES DE SYSTEMES DE TRANSMISSION On classe les liaisons de transmissions en deux grandes catégories :

- les liaisons point à point ; - les liaisons point-multipoint (diffusion).

I-4-1. Les liaisons point à point :

Dans cette catégorie, le signal représentant l’information est envoyé vers un seul récepteur. Le support utilisé peut être le câble (électrique ou optique) ou les liaisons radioélectriques (sans fil). Dans le cas des liaisons radios, la puissance d’émission est en général faible (100 mW environ pour les micro-ondes). Dans la pratique, on utilise ces types de liaisons pour connecter :

- deux centraux téléphoniques ; - deux stations de transmission dans les réseaux de téléphonie fixe ; - une station de base à l’autocommutateur des services mobiles ou à une autre

station de base dans les réseaux cellulaires ; - une station terrienne à un satellite ;…etc.

Les liaisons radios point à point nécessitent des antennes directives (antennes paraboliques par exemple).

I-4-2. Les liaisons point-multipoint

Ici, le signal est émis dans différentes directions et plusieurs récepteurs sont susceptibles de le capter en même temps. On en distingue deux types :

- les liaisons multicast où le nombre de récepteur est connu. Le support utilisé ici est le câble où les ondes radios ;

- les liaisons broadcast (diffusion) où le nombre de récepteur n’est pas connu à l’avance (radio diffusion, diffusion TV, téléphonie cellulaire, liaisons satellitaires, …). Le support approprié ici est la liaison radioélectrique. Les puissances rayonnées sont en général très élevées (100 à 1000 W ) par rapport aux liaisons radio point à point.

On retrouve ces types de liaison dans les systèmes de : - radiodiffusion et télédiffusion ; - radio commandement (radioélectricité privée) ;

Signal information

Signal information

Antenne d’émission et réception

Ondes Electromagnétiques (FH)


E

R

R

E

Fig. I-25 : Schéma synoptique d’une liaison radioélectrique point à point


- téléphonie cellulaire (liaison entre le réseau et les portables) ; - émission par satellites (radiodiffusion, TV, télécommunications mobiles

(VSAT) par satellites) ;… etc. - liaisons inter-autocoms en téléphonie (multicast).

Les liaisons radios point-multipoint nécessitent des antennes non directives ou même omnidirectionnelles pour l’émission.

.

E/R E/R

Fig. I-27 : Liaison bilatérale de diffusion : Téléphonie cellulaire

Signal information

E/R

E/R

E/R


EMET TEUR

E/R

RECEP TEUR

Antenne d’émission

Signal information

EMET TEUR

R

R

R

R

R

R

Fig. I-26 : Liaison de diffusion un sens : TV ou Radiodiffusion


I-5. ARCHITECTURE GENERALE D’UNE LIAISON DE TRANSMI SSION NUMERIQUE

FIG. I-29 : Structure générale d’une chaîne de communication numérique

Décodage correcteur d’erreurs, Démodulation

Haut-parleur, tube écran, tête d'écriture, etc.

Décodeurs

Microphone, camera, tête de lecture, etc.

Codes divers codage contre erreurs,

Modulation

Correspondant origine

Transducteur émission

Codage de source

Codage de canal

CANAL DE TRANSMISSION

CANAL DE TRANSMISSION

Décodage de canal

Décodage de source

Transducteur réception

Correspondant destinataire

C H A I N E E M I S S I O N

C H A I N E R E C E P T I O N

Multi plexage

Démulti plexage

Démulti plexeurs

Multi plexeurs

M = mobile R = récepteur

Radiodiffusion et, TV

Télécommunications mobiles

Satellite

PRODU-TION

EMET TEUR

M

M

M

M

M

R

R

R

R

R

R

Fig. I-28: Liaison de diffusion par satellite : Radiodiffusion, TV et Télécommunications mobiles par satellite


La transmission de l’information requiert en toute généralité un certain nombre d’étapes :

1. la conversion d’une information (voix, musique, textes, images, vidéo, données, … etc.) en signal électrique la traduisant ; C’est le rôle du transducteur émission.

2. la description de ce signal avec un certain niveau de précision ou de fidélité :

c’est le codage de source. Il consiste à substituer à chaque élément d’information une valeur binaire.

Si les informations sont à l’origine discrètes, le codage source consiste à faire correspondre à un symbole appartenant à un alphabet, une représentation binaire (code ASCII par exemple).

Pour les informations qui sont à l’origine analogiques (voix, parole), le codage source est réalisé à la fin du processus de numérisation.

3. Le multiplexage est une étape qui permet de regrouper les signaux issus de

plusieurs sources en vue de les transmettre à travers un même support. Ce regroupement doit se faire de façon ordonnée, pour permettre qu’en réception, les signaux puissent être convenablement séparés et envoyés à leurs destinations respectives.

4. l’encodage du signal dans une forme compatible avec le canal sur lequel l’on

envisage de transmettre ce signal : c’est l’étape de codage de canal, qui comprend le codage contre les erreurs (pour la transmission par câbles) et la modulation (pour la transmission par ondes radioélectriques).

Le codage contre les erreurs (ou codage correcteur d’erreurs) a pour objet de représenter le signal numérique issu du multiplexeur sous une forme qui facilitera sa restitution à la réception.

La modulation quant à elle est l’opération par laquelle l’on imprime le signal codé source sur un autre signal, généralement sinusoïdal appelé porteuse que l’on transmettra à travers l’espace. Cela implique par exemple le choix d’une porteuse à une certaine fréquence, la découpe temporelle avec laquelle cette porteuse est utilisée, la façon dont l’information est imprimée sur la porteuse (modulation d’amplitude, de phase, de fréquence, etc. . . .) ;

5. le signal ainsi constitué est transmis au travers d’un canal appelé canal ou

support de transmission ; il peut s’agir d’une paire métallique symétrique (ligne téléphonique) ou coaxiale, d’une liaison radio, d’une liaison optique, . . . ;

6. La chaîne réception doit compenser ou inverser un certain nombre

d’opérations effectuées par la chaîne émission. Il s’agit de la démodulation qui consiste à retirer le message du signal reçu ; ou du décodage et correction d’erreurs qui consiste à retirer la redondance introduite tout en en profitant pour corriger si possible les erreurs commises ; Ces opérations sont appelées décodage de canal.


7. Le démultiplexage qui répartira les signaux issus du décodage de canal sur les sorties correspondantes.

8. le décodage de source revient à reconstituer au mieux le signal de départ sur la base du signal reçu.

9- La conversion du signal électrique ainsi restitué en informations sous forme naturelle. Cette étape est réalisée par le transducteur réception.

Plus globalement, l’on peut toujours identifier trois éléments dans la chaîne de communication, à savoir l’émetteur, le canal et le récepteur.

Parmi les étapes mentionnées ci-dessus, codage de source, codage contre les erreurs, et modulation sont accomplies par l’émetteur. Les opérations d’"inversion" correspondantes sont effectuées par le récepteur. Ces opérations d’inversion peuvent prendre des formes très diverses suivant la complexité autorisée au récepteur et les performances que l’on veut atteindre.

De manière synthétique la mission de l’émetteur est donc de mettre le signal à transmettre sous une forme qui soit adaptée au canal au travers du quel se fait la communication. Le canal n’est cependant jamais parfait et introduit donc du bruit, des distorsions et des interférences sur le signal émis. La tâche du récepteur est de reconstituer au mieux le message original.

La figure ci-dessous présente un système de transmission dans un réseau téléphonique.

Après cette présentation, l’étude suivante porte sur les traitements apportés sur les signaux en vue de les transmettre.

Radiodiffusion, TV Signaux Télex Données informatiques

Données informatiques Signaux Télex Radiodiffusion, TV

SYSTEME DE TRANSMISSIONS

SUPPORTS DE TRANSMISSIONS

Données informatiques Signaux Télex Radiodiffusion, TV

Radiodiffusion, TV Signaux Télex Données informatiques

Circuits multiplexés

De/Vers autres

AUTOCOM

De/Vers abonnés

TRANSMISSIONS PAR SATELLITE

FAISCEAUX HERTZIENS

COAXIAL

PAIRE SYMETRIQUE

De/Vers autres

AUTOCOM

A U T O C O M

A

MUX

DEMUX

A U T O C O M

B

DEMUX

MUX

FIBRE OPTIQUE De/Vers Abonnés

Fig. I-30 : Présentation générale d’un système de transmission en Téléphonie

Généralités sur les signaux et supports Tx

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