MAN S1 Introd Mod

Techniques de Modulations

Analogique et Numrique

Introduction Gnrale

2me Rseaux & Tlcommunications / 2me Gnie lectrique

Pr. Zouhair GUENNOUN [email protected]

Ecole Mohammadia dingnieurs EMI Dpartement Gnie Electrique - GELE

Laboratoire dElectronique et Communications LEC

Dpartement Electrique - EMI Pr. Zouhair GUENNOUN 2

Plan

Dfinition des tlcommunications

lments principaux dans un systme de communication

Objectifs du cours

Historique

Aperu gnral sur les techniques de modulation et de multiplexage

Ncessit de la modulation

Techniques de modulation

Techniques de multiplexage


Introduction

Les tlcommunications comprennent lensemble des moyens techniques (Emetteur-Rcepteur) ncessaires:

lacheminement (transfert, change) distance aussi fidle et fiable que possible dinformation (de formes diverses),

entre deux points quelconques, une distance quelconque, avec des cots raisonnables.

Introduction

Les tlcommunications sont dfinies comme la transmission distance dinformations avec des moyens base d'lectronique et d'informatique. [Wikipdia]

On entend par tlcommunications toute transmission, mission et rception distance, de signes, de signaux, dcrits, dimages, de sons ou de renseignements de toutes natures, par fil

lectrique, radiolectricit, liaison optique, ou autres systmes lectromagntiques [Wikipdia]


Introduction

Une liaison de tlcommunications comporte trois lments principaux :

un metteur qui prend linformation et la convertit en signal lectrique, optique ou radiolectrique ;

un mdia de transmission, pouvant tre une ligne de transmission, une fibre optique ou l'espace

radiolectrique, qui relie metteur et rcepteur ;

un rcepteur qui reoit le signal et le convertit en information utilisable.


Introduction

Les dispositifs de communication classiques sont le tlgraphe, le tlphone ou la radio.

Actuellement, les tlcommunications concernent gnralement l'utilisation d'quipements lectroniques associs des rseaux analogiques ou numriques comme le tlphone fixe ou mobile, la radio, la tlvision ou l'ordinateur.



Plan



Objectifs du cours

Historique





Dfinition officielle des Tlcommunications

Toute communication tlgraphique ou tlphonique de signes, de signaux, d'crits et de sons de toute nature, par fil par radio ou autres systmes ou procds de signalisation lectriques ou visuels (smaphores) .

Premire dfinition officielle du terme tlcommunications. Confrence internationale de Madrid (1932 ) tenue par lUnion Internationale des

Tlcommunications - UIT (ITU International Telecommunication Union )


Dfinition officielle des Tlcommunications

On entend par tlcommunication toute transmission, mission ou rception de signes, de signaux, d'crits, d'images, de sons ou de renseignements de toute nature par fil, radiolectricit, optique ou autres systmes lectromagntiques .

Autre dfinition officielle du terme tlcommunications.

Premire grande confrence internationale de l'aprs-guerre (1947), Atlantic City, aux tats-Unis.



Modules Principaux dun Systme de Tlcommunications

Schma synoptique dun systme de tlcommunications :

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message


Modules principaux dun Systme de Tlcommunications

Canal (Support, Milieu, ou Ligne de transmission) : multiple - allant de la liaison filaire aux ondes

hertziennes en passant par les supports "lumineux" :

Il permet de vhiculer linformation transmise de lmetteur vers le rcepteur;

Il est le sige de perturbations diverses (distorsions, bruit, )

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message



La source gnre de linformation (message) de diverses formes (analogique ou numrique) - parole, musique, images (fixes ou animes), textes, donnes, etc.

On utilise un transducteur pour traduire le message sous forme lectrique (un microphone convertit les variations de pression acoustique en courants lectriques proportionnels).

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message



Lutilisateur, situ distance, dsire connatre lidentit de linformation gnre par la source ;

il doit se contenter dune version, lgrement altre, par rapport linformation originale;

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message



Lmetteur : Il permet dadapter linformation au canal de transmission. Linformation transmise agit sur une grandeur physique du

signal porteur (amplitude, frquence ou phase) : modulation.

Au rcepteur : aprs traitement appropri (amplification, mise en forme, etc.), l'information utile contenue dans le signal recueilli doit tre extraite : dmodulation.

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message


Objectif principal des tlcommunications:

Transmettre (communiquer) fidlement des informations distance.

Lart de lingnieur consiste : Trouver la solution la plus conomique un problme

de communication, dans un compromis entre cot et qualit.

Cot au sens large comprend matriel, frais de dveloppement, exploitation, etc.


Objectifs du cours

Prsenter un aperu gnral sur les diffrentes Techniques de Modulation linaires et non-linaires utilises en Communication la fois dans les domaines Analogique et Numrique,

Acqurir et comprendre les outils utiliss pour caractriser et valuer les performances de ces mthodes de modulation.


Objectifs du cours

A la fin de ce cours, ltudiant devrait tre capable de :

Situer qualitativement et quantitativement le problme de la transmission dinformations dans un contexte technique et humain ;


Objectifs du cours


valuer et comparer les procds de modulation et les milieux rels de transmission pour les choisir en connaissance

de cause ;


Objectifs du cours


Appliquer avec bon sens les thories gnrales des cas particuliers concrets de transmission ;

Ressources du Cours

Pour vos questions, et tlchargements: https://piazza.com/emi.ac.ma/fall2014/elec019/home

Envoyer moi vos adresses lectroniques

[email protected]


Domaines dapplications

Le but des tlcommunications est de transmettre un signal, porteur dune information (voix, musique, images, donnes), dun lieu un autre lieu situ distance.

Domaines dapplications:

Tlgraphie

Tlphonie : accs fixe, Radio-mobile, Rseaux cellulaires

Diffusion: Radio / Tlvision

Satellite

Internet


Un peu dhistoire

1832 : Invention du tlgraphe lectrique par Samuel MORSE

1876 : lamricain Graham Bell inventa le tlphone

1887 : lallemand H. Hertz observe les ondes lectromagntiques, prdites par langlais JC Maxwell

1890 : le franais E. Branly russi capter ces ondes

1895 : lItalien G. Marconi ralise la 1re transmission radio en morse. (marconigrammes)


Un peu dhistoire

1912 : le SOS du Titanic est capt par le navire Carpathia et permet de sauver 800 personnes

1920 : 1re liaison radiotlgraphique France-Amrique ouverte au public.

1921: Emissions exprimentales diffuses depuis la Tour Eiffel do sont transmis les premiers journaux parls et missions musicales en direct.

1927 : 1re liaison radiophonique Londres-New-York.

1929: La BBC met des missions exprimentales (malgr des images de mauvaise qualit).


Un peu dhistoire

1935 : 4 liaisons tlphoniques intercontinentales depuis Paris.

1938: En France, les missions de tlvision sont quotidiennes

1947: 3 Amricains inventent le transistor, qui peu peu va dtrner les lampes, et faire acclrer les volutions techniques.

Dans l'histoire de la tlvision, un des grands moments restera l'alunissage en direct de la capsule spatiale Apollo, le 20 juillet 1969,

devant des millions de tlspectateurs.

1955 : dbut des 1res liaisons radio (160MHz) Paris (taxis, mdecins)


Un peu dhistoire

1930-60 : augmentation de la bande de frquence et mise en place de rseaux radio en modulation de frquence.

1933 : tat dart: conservation de la BW. Edwin Armstrong: Introduction du systme FM laugmentation de la BW permet de rduire le bruit meilleure qualit.

Naissance de la radio astronomie: tude des interfrences en transmission radio


1958: Charles Townes & Arthur Schawlow: publication dun article sur comment on peut construire un Laser Infrared & Optical Masers

1961: Ralisation du processus ltat solide par Theodore Maiman.

Introduction dun modem FSK pour la transmission de donnes sur lignes tlphoniques (AT&T). Dbit 300bps

Un peu dhistoire


Un peu dhistoire

Etablissement de ARPA (Advanced Research Project Agency) de DoD qui va jouer un rle important dans lInternet.

1970 : fin des ondes courtes pour la radiophonie: remplaces par les satellites.

1983: Internet prend forme. TCP/IP. Arpanet (4 100 nuds - 1969)


Un peu dhistoire

1960-70: mise au point du principe du cellulaire (Bell labs).

1970-90: le cellulaire analogique se dveloppe.

- 1979 : 1er systme cellulaire AMPS (Advanced Mobile Phone Service) Chicago

- 1981 : le NMT dans les pays scandinaves

- 1985 : en France Radiocom2000, en Angleterre le TACS

- 1986 : en Allemagne, le C450

- en //, dveloppement des systmes sans fil


Un peu dhistoire

depuis 1990 : Systmes modulation numrique

- USA : USDC(91), IS-95 (93), DCS-1900 (94)

- Europe : GSM-900MHz (90), DECT (93), DCS-

1800MHz (93)

communications internationales : 70% par cbles sous-marins,

30% par satellites

Prsent : convergence voix donnes et intgration de

services: UMTS, wLAN, bluetooth, i-Phone, ...


Bandes de Frquence utilises en Communications sans fil.


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Administration des tlcommunications

Pour optimiser l'utilisation du spectre de frquence et limiter les interfrences entre systmes, les tats s'accordent au niveau international :

au niveau international par l'ITU (agence de l'ONU) ;

au niveau de l'Europe par le CEPT (Confrence europenne des administrations des postes et

tlcommunications) ;

par des rvisions du Rglement des Radiocommunications ou RR sont prvues dans le cadre des WRC - World Radiocommunication Conference (CMR - Confrence Mondiale des Radiocommunications).


Administration des tlcommunications

Chaque pays gre ces rglementations internationales l'intrieur de ses frontires, sous le contrle d'administrations nationales :

Aux tats-Unis : FCC - Federal Commission of Communications ;

En France : ARCEP - Autorit de Rgulation des Communications Electroniques et des Postes et

ANFR - Agence Nationale des FRquences ;

Au Maroc : ANRT - Agence Nationale de Rglementation des Tlcommunications et la HACA - Haute Autorit de la Communication Audiovisuelle


Organismes de normalisation et de standardisation

Principaux organismes de normalisation-standardisation mondiaux: ITU : International Telecommunication Union

(UIT - Union internationale des tlcommunications) ;

IETF : Internet Engineering Task Force ;

ETSI : European Telecommunication Standards Institute (Institut europen des normes de tlcommunication) ;

ATM Forum ;

3GPP : 3rd Generation Partnership Project, responsable des normes de tlphonie mobile ;

ANSI : American National Standard Institute ;

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers.



Plan



Objectifs du cours

Historique







1. Transmission Radiolectrique: Pour mettre un signal lectrique (100Hz 10kHz),

au moyen d'une antenne :

les dimensions propres de lantenne ces frquences atteindraient 1500km pour 100Hz et 15km pour 10kHz!

2. Besoin de Multiplexage: Si plusieurs stations mettent en mme temps en

frquences audio, il ne serait pas possible de discerner l'une de l'autre dans le rcepteur; et

On ne pourrait pas transmettre plus d'un message la fois!


Solution : Introduire un message de basse frquence (B.F.)

dans un autre message de haute frquence (H.F.) - principe de la modulation

Chaque station choisit une haute frquence qui lui est

propre, dite frquence ou onde porteuse;

Celle-ci est modifie par le message lectrique dit signal en bande de base ou onde modulante.

Le signal rsultant qui sera transmis s'appelle onde module.




Signal modulant - BF

en bande de base

Signal porteur - HF

Signal modul

Modulation



Dfinition de la modulation: Variation dun paramtre (ou plusieurs)

caractristique dun signal (signal porteur) en fonction dun autre signal (signal modulant ou modulateur).

Le signal rsultant sera appel un signal modul.

La dmodulation est lopration qui permet dextraire

le signal modulant partir du signal modul.


Porteuse pure (de frquence ) :

Information (de frquence ) :

La frquence (fp) de la porteuse doit tre trs suprieure celle (F) de l'information transmettre

(on prend gnralement un facteur 100 entre fp et F).

p t A tp p cos f p p 2

m t A tm cos F 2



Au rcepteur, on pourra capter la station de son choix grce un filtre.

Le filtre est un dispositif lectronique qui reoit plusieurs

frquences et n'en laisse passer qu'un nombre limit.

Le filtre classique est le filtre passe bande: celui-ci laisse passer une bande de frquence et supprime toutes les autres frquences.

Une fois capt, le signal modul reu devra tre dmodul, c'est--dire dmuni de sa porteuse.



Modes de modulation

La modulation peut tre soit :

Une transposition plus ou moins directe du spectre du message vers les HF (modulation analogique damplitude, ou de frquence, modulations numriques)

Une modification radicale du signal lui-mme et utilisation des moyens numriques, notamment lchantillonnage (modulation par impulsions),

Une combinaison des deux techniques prcdentes (W-CDMA - Wide Band Code Division Multiple Access)


Modes de modulation

Les types de modulation peuvent tre classs selon plusieurs critres:

1.Distinction par rapport la forme du signal porteur:

a) La modulation est continue si l'onde module est mise sans aucune interruption (porteuse sinusodale),

b) La modulation est par impulsions (porteuse sous forme dun train dimpulsions).


Modes de modulation


2.Distinction par rapport la forme du signal modulant: Pour une porteuse sinusodale:

a) La modulation est analogique si l'un des paramtres de l'onde porteuse varie proportionnellement l'onde modulante qui est de nature analogique

b) Sinon la modulation est numrique dans le cas o le signal modulant est numrique.


Modes de modulation


3.Distinction par rapport la forme du signal modul:

La modulation est code si le message est traduit selon un certain langage symbolique - code.


Modes de modulation

Nous classerons les types de modulation comme suit:

1.La modulation analogique continue;

2.La modulation numrique;

3.La modulation analogique par impulsions;

4.La modulation par impulsions codes.


1. Modulation analogique continue

Signal porteur analogique (sinusodal)

Signal modulant analogique (continu)

Une porteuse sinusodale peut tre module de plusieurs faons par le message modulant:

Variation de son amplitude crte: Ap(t) = fon[m(t)],

Variation de sa frquence instantane: fp(t) = fon[m(t)], ou

Variation de sa phase instantane: fp(t) = fon[m(t)].

p t A tp p cos


Modulations linaires

En modulation d'amplitude (AM), l'amplitude crte de la porteuse varie proportionnellement au message modulant.

D'autres modes de modulation du mme type existent: la modulation bande latrale double (DSB),

la modulation bande latrale unique (SSB) et

la modulation bande latrale rsiduelle (VSB).

Tous ces types de modulation sont dites des modulations linaires: application du principe de superposition.


Modulations non linaires

Appeles aussi modulations angulaires ou exponentielles.

L'amplitude crte de l'onde module reste inchange.

En modulation de frquence (FM), la frquence de la porteuse varie proportionnellement au message modulant

En modulation de phase (PM), la phase de la porteuse varie

proportionnellement au message modulant.

Aussi, nous distinguerons entre:

Modulations angulaires large bande (WB Wide Band) et

Celles bande troite (NB Narrow Band).


Exemples de Modulations Analogiques


2. Modulations numriques

Signal porteur analogique (sinusodal)

Signal modulant numrique (squence binaire)

En modulation numrique, on parle de:

ASK (Amplitude Shift Keying): Modulation saut damplitude

PSK (Phase Shift Keying): Modulation saut de phase

FSK (Frequency Shift Keying): Modulation saut de frquence

On dit que la porteuse passe dun tat un autre tat lorsque le signal modulant change dune valeur une autre.


Exemples de Modulations Numriques


3. Modulation analogique par

impulsions

Signal porteur numrique (train dimpulsions)

Signal modulant analogique (continu)

Un train d'impulsions rectangulaire pourra tre considr comme un signal de porteuse.

Nous pourront faire varier l'amplitude, la position ou la dure des impulsions proportionnellement au message. PAM (Pulse Amplitude Modulation): Modulation d'impulsion en

amplitude

PDM/PWM (Pulse Duration/Width Modulation): Modulation d'impulsions en dure ou de largeur

PPM (Pulse Position Modulation): Modulation d'impulsions en position


Modulation analogique par impulsions

En modulation d'impulsion en amplitude, l'amplitude des impulsions varie proportionnellement au message

modulant.

En modulation d'impulsions en dure ou de largeur, la dure des impulsions varie proportionnellement au message modulant;

Le plus souvent on conserve un temps de rfrence fixe au dbut, la fin ou au milieu de chaque impulsion module en dure ainsi qu'une impulsion de rfrence (dure T0) au dbut du train d'impulsions.


Modulation analogique par impulsions

En modulation d'impulsions en position, des impulsions identiques sont mises des intervalles de temps diffrents: le rythme de rptition des impulsions varie.

Ainsi, le temps d'avance ou de retard de l'impulsion demeure proportionnel au message modulant.

Dans les modes PDM et PPM les impulsions sont modules dans le temps. Ils seront regroups sous le sigle PTM.


Exemples de Modulation analogique par impulsions


4. Modulation par impulsions

codes

Signal porteur numrique (train dimpulsions)

Signal modulant numrique (squence binaire)

Pour tre cod, un message modulant doit en premier lieu tre chantillonn puis quantifi:

Des niveaux de quantification distincts permettent d'attribuer des valeurs propres aux amplitudes.

Le message peut alors tre reprsent par une srie d'impulsions. Celles-ci pourront tre mises telles quelles (en bande de base) ou modules.


Modulation par impulsions codes

On distingue donc trois tapes lors de la modulation par impulsions codes - MIC (Pulse Coded Modulation - PCM):

Echantillonnage ;

Quantification ;

Codage ;


Rcapitulation des modes de modulation

PORTEUSE MESSAGE

continue (sinusodale)

impulsions

analogique (continu)

discret (numrique)

AM - FM - PM

ASK FSK

PSK PAM

PWM PPM

PCM - W-CDMA


Rcapitulation des modes de modulation

Type de modulation Paramtre modul Forme de porteuse Information transmise

AM, DSB, SSB, VSB Amplitude

Sinusode

Analogique

FM (NBFM/WBFM) Frquence

PM (NBPM/WBPM) Phase

PAM Amplitude

Train

dimpulsions

PFM Frquence

PPM Phase

PDM dure

ASK, OOK Amplitude

Sinusode Numrique

FSK, CPFSK, MSK,

GMSK Frquence

PSK Phase

QAM Phase et amplitude


Critres de comparaison entre divers modes de modulation

La bande de frquence utilise ;

Le rendement en nergie, et puissance moyenne transmise;

La complexit des circuits de l'metteur et du rcepteur ;

Performances du systme de modulation en prsence du bruit (SNR, Fonction erreur, );


Modulations multiples & Multiplexage

Tout canal de transmission ou liaison de donnes est caractris par sa capacit qui indique la quantit d'informations maximale qu'il peut vhiculer par unit de temps. Dans un canal analogique, cette quantit se traduit

par la largeur de bande du canal exprime en Hertz (Hz);

Dans le cas d'un canal numrique, cette quantit se traduit par le dbit qu'on peut transmettre travers ce canal et est exprime en bits par seconde (bps).



Il arrive souvent que l'information change durant un intervalle de temps donn entre un metteur et un rcepteur n'utilise pas toute la capacit du canal de transmission.

Efficacit + cot de la communication = groupement sur une seule liaison le trafic provenant de plusieurs utilisateurs


Objectif du multiplexage /dmultiplexage: permettre plusieurs utilisateurs de se partager un mme support physique de transmission, en ayant l'impression d'tre seul utiliser ce support.

Plusieurs messages peuvent tre moduls indpendamment sur des sous-porteuses diffrentes;

L'ensemble de ces signaux moduls peut servir de signal modulant d'une porteuse de frquence plus leve;

Cette mthode s'avre compatible avec certaines techniques ou mdia de transmission.




Cette exploitation simultane de support de transmission se justifie par deux facteurs:

le cot des liaisons de transmission de grande

capacit ;

le fait que celles-ci ne soient pas toujours utilises intgralement;



Multiplexage : mcanisme de concentration des liaisons selon lequel les informations provenant de plusieurs liaisons de faible capacit sont regroupes en un bloc unique transmis sur une liaison de grande capacit;

Dmultiplexage : opration inverse du multiplexage, c..d, le partage de la liaison composite en liaisons individuelles.


Multiplexage: mcanisme de partage du canal de transmission (liaison de grande capacit) entre plusieurs liaisons de faible capacit.

Fonctions d'un systme de multiplexage:

Concentration des liaisons;

Corrections des erreurs de transmission;

Gestion du rseau



Multiplexage

Emetteur

Emetteur

Emetteur

Rcepteur

Rcepteur

Rcepteur

Canal




D'une manire gnrale, nous distinguons quatre techniques de multiplexage:

FDM (Frequency Division Multiplexing): Multiplexage par rpartition en frquence ;

TDM (Time Division Multiplexing): Multiplexage par rpartition dans le temps;

CDM (Code Division Multiplexing): Multiplexage par rpartition de code;

WDM (Wavelength Division Multiplexing) : Multiplexage par rpartition des longueurs d'onde ;


Multiplexage frquentiel - FDM

Bande

1 Bande

2 Bande

K-1 Bande

K ..

Frquence f


Multiplexage temporel - TDM

TC : temps de transmission dun chantillon

T : temps entre 2 chantillons

T TC

Temps inutilis

t

Hirarchie du standard de multiplexage temporel Amricain

T1 1.5

Mb/s

T3 45

Mb/s

OC-12 622

Mb/s

OC-48

2.5

Gb/s

OC-

192 10

Gb/s

24 digitized voice lines

28 T1 lines 12 T3 lines 4 OC-12 lines 4 OC-48 lines



Multiplexage cod - CDM

signal

code

signal code

t

Multiplexage en longueur d'onde WDM

Channel 1

Channel 2

Channel 3

Channel 4

Optical transmitter 1



Optical

transmitter 4

l1

Optical multiplexer

WDM Output In one fiber

Individual optical channels TDM input

l1, l2, l3, l4

Whole unit can be put in

One box as WDM transmitter


l2

l3

l4


Multiplexage en longueur d'onde WDM oprant 1550nm

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