MAN S1 - Introd_Mod

Techniques de Modulations

Analogique et Numérique –

Introduction Générale

2ème Génie Électrique

Pr. Zouhair [email protected]

Ecole Mohammadia d’ingénieurs – EMIDépartement Génie Electrique - GELE

Laboratoire d’Electronique et Communications – LEC

Département Electrique - EMI Pr. Zouhair GUENNOUN 2

Plan

• Définition des télécommunications

– Éléments principaux dans un système de

communication

– Objectifs du cours

– Historique

• Techniques de modulation et Multiplexage

– Nécessité de la modulation

– Techniques de modulation

– Techniques de Multiplexage


Introduction

• Les télécommunications comprennent l’ensemble des moyens techniques nécessaires:

– à l’acheminement (transfert) aussi fidèle et fiable que possible d’information (de formes diverses),

• entre deux points quelconques,

• à une distance quelconque,

• avec des coûts raisonnables.


Plan



communication


– Historique





Définitionofficielle des Télécommunications

• « Toute communication télégraphique ou

téléphonique de signes, de signaux, d'écrits et

de sons de toute nature, par fil par radio ou

autres systèmes ou procédés de signalisation

électriques ou visuels (sémaphores) ».

– Première définition officielle du terme télécommunications. • Conférence internationale de Madrid (1932 ) tenue par l’Union Internationale des

Télécommunications - UIT (ITU – International Telecommunication Union )


Définitionofficielle des Télécommunications

• « On entend par télécommunication toute

transmission, émission ou réception de signes,

de signaux, d'écrits, d'images, de sons ou de

renseignements de toute nature par fil,

radioélectricité, optique ou autres systèmes

électromagnétiques ».

– Autre définition officielle du terme télécommunications. • Première grande conférence internationale de l'après-guerre (1947), à Atlantic City, aux

États-Unis.



Modules Principaux d’un Système

de Télécommunications …

• Schéma synoptique d’un système de télécommunications :

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message


… Modules principaux d’un Système


• 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 véhiculer l’information transmise de l’émetteur vers

le récepteur;

– Il est le siège de perturbations diverses (distorsions, bruit, …)

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message




• La source génère de l’information (message) de

diverses formes (analogique ou numérique) - parole,

musique, images (fixes ou animées), textes, données,

etc.

– On utilise un transducteur pour traduire le message sous forme

électrique (un microphone convertit les variations de pression

acoustique en courants électriques proportionnels).

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message




• L’utilisateur, situé à distance, désire connaître

l’identité de l’information générée par la source ;

– il doit se contenter d’une version, légèrement altérée,

par rapport à l’information originale;

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message



de Télécommunications

• L’émetteur : Il permet d’adapter l’information au canal de transmission. – L’information transmise agit sur une grandeur physique du

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

• Au récepteur : après traitement approprié (amplification, mise en forme, etc.), l'information utile contenue dans le signal recueilli doit être extraite : démodulation.

EMETTEUR

CANAL

OU

LIGNE

RECEPTEUR

SOURCE

UTILISATEUR

Message


• Objectif principal des télécommunications:

– Transmettre (communiquer) fidèlement des

informations à distance.

• L’art de l’ingénieur consiste à:

– Trouver la solution la plus économique à un problème

de communication, dans un compromis entre coût et

qualité. • Coût au sens large comprend matériel, frais de développement, exploitation,

etc.


Objectifs du cours …

• Présenter un aperçu général sur les différentes Techniques de Modulation utilisées en Communication à la fois dans les domaines Analogique et Numérique,

• Acquérir et comprendre les outils utilisés pour caractériser et évaluer les performances de ces méthodes de modulation.


… Objectifs du cours …

• A la fin de ce cours, l’étudiant devrait être capable de :

– Situer qualitativement et quantitativement le

problème de la transmission d’informations

dans un contexte technique et humain ;


… Objectifs du cours …


– Évaluer et comparer les procédés de

modulation et les milieux réels de

transmission pour les choisir en connaissance

de cause ;


… Objectifs du cours


– Appliquer avec bon sens les théories

générales à des cas particuliers concrets de

transmission ;

Domaines d’applications

• Le but des télécommunications est de transmettre un

signal, porteur d’une information (voix, musique, images,

données…), d’un lieu à un autre lieu situé à distance.

• Domaines d’applications:

– Télégraphie

– Téléphonie : accès fixe, Radio-mobile, Réseaux cellulaires

– Diffusion: Radio / Télévision

– Satellite

– Internet


Un peu d’histoire …

• 1832 : Invention du télégraphe électrique par

Samuel MORSE

• 1876 : l’américain Graham Bell inventa le téléphone

• 1887 : l’allemand H. Hertz observe les ondes

électromagnétiques, prédites par l’anglais

JC Maxwell

– 1890 : le français E. Branly réussi à capter ces ondes

• 1895 : l’Italien G. Marconi réalise la 1ère transmission

radio en morse. (marconigrammes)


… Un peu d’histoire …

• 1912 : le SOS du Titanic est capté par le navire

Carpathia et permet de sauver 800 personnes

• 1920 : 1ère liaison radiotélégraphique France-Amérique

ouverte au public.

• 1921: Emissions expérimentales diffusées depuis la Tour Eiffel

d’où sont transmis les premiers journaux parlés et

émissions musicales en direct.

• 1927 : 1ère liaison radiophonique Londres-New-York.

• 1929: La BBC émet des émissions expérimentales (malgré

des images de mauvaise qualité).



• 1935 : 4 liaisons téléphoniques intercontinentales

depuis Paris.

• 1938: En France, les émissions de télévision sont quotidiennes

• 1947: 3 Américains inventent le transistor, qui peu à peu va

détrôner les lampes, et faire accélérer les évolutions techniques.

– Dans l'histoire de la télévision, un des grands moments restera

l'alunissage en direct de la capsule spatiale Apollo, le 20 juillet 1969,

devant des millions de téléspectateurs.

• 1955 : début des 1ères liaisons radio (160MHz) à Paris

(taxis, médecins)



• 1930-60 : augmentation de la bande de fréquence et

mise en place de réseaux radio en

modulation de fréquence.

– 1933 : État d’art: conservation de la BW. Edwin Armstrong:

Introduction du système FM – l’augmentation de la BW permet

de réduire le bruit – meilleure qualité.

– Naissance de la radio astronomie: étude des interférences en

transmission radio


– 1958: Charles Townes & Arthur Schawlow:

publication d’un article sur comment on peut

construire un Laser «Infrared & Optical Masers»

– 1961: Réalisation du processus à l’état solide par

Theodore Maiman.

– Introduction d’un modem FSK pour la transmission de

données sur lignes téléphoniques (AT&T). Débit 300bps




– Etablissement de ARPA (Advanced Research Project

Agency) de DoD qui va jouer un rôle important dans

l’Internet.

• 1970 : fin des ondes courtes pour la radiophonie:

remplacées par les satellites.

– 1983: Internet prend forme. TCP/IP. Arpanet (4 à 100

nœuds - 1969)



– 1960-70: mise au point du principe du cellulaire

(Bell labs).

– 1970-90: le cellulaire analogique se développe.

- 1979 : 1er système cellulaire AMPS (Advanced Mobile Phone

Service) à Chicago

- 1981 : le NMT dans les pays scandinaves

- 1985 : en France Radiocom2000, en Angleterre le TACS

- 1986 : en Allemagne, le C450

- en //, développement des systèmes sans fil


… Un peu d’histoire

– depuis 1990 : Systèmes à modulation numérique

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

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

1800MHz (93)

– communications internationales : • 70% par câbles sous-marins,

• 30% par satellites

– Présent : convergence voix données : UMTS, wLAN,

bluetooth, i-Phone, ...


Bandes de Fréquence utilisées en Communications sans fil.


Dig

ital C

om

mu

nic

ati

on

s:

A d

isc

rete

-Tim

e A

pp

roa

ch

. M

. R

ice

. P

ea

rso

n


Plan



communication


– Historique






Nécessité de la modulation …

1. Transmission Radioélectrique:– Pour émettre un signal électrique (100Hz – 10kHz),

au moyen d'une antenne : les dimensions propres de l’antenne à ces fréquences atteindraient 1500kmpour 100Hz et 15km pour 10kHz!

2. Besoin de Multiplexage:– Si plusieurs stations émettent en même temps en

fréquences audio, il ne serait pas possible de discerner l'une de l'autre dans le récepteur; et on ne pourrait donc pas transmettre plus d'un message à la fois!


• Solution : – Introduire un message de basse fréquence (B.F.)

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

• Chaque station choisit une haute fréquence qui lui est propre, dite fréquence ou onde porteuse;

• Celle-ci est modifiée par le message électrique dit signal en bande de base ou onde modulante.

• Le signal résultant qui sera transmis s'appelle onde modulée.

… Nécessité de la modulation …



• Définition de la modulation:– Variation d’un paramètre (ou plusieurs)

caractéristique d’un signal (signal porteur) en fonction d’un autre signal (signal modulant ou modulateur).

• Le signal résultant sera appelé un signal modulé.

– La démodulation est l’opération qui permet d’extraire le signal modulant à partir du signal modulé.



Signal modulant - BF

en bande de base

Signal porteur - HF

Signal modulé

Modulation


• Porteuse pure (de fréquence ) :

• Information (de fréquence ) :

– La fréquence (fp) de la porteuse doit être très

supérieure à celle (F) de l'information à transmettre

• (on prend généralement 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 récepteur, on pourra capter la station de son choix grâce à un filtre.

– Le filtre est un dispositif électronique qui reçoit plusieurs fréquences et n'en laisse passer qu'un nombre limité.

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

• Une fois capté, le signal modulé reçu devra être démodulé, c'est-à-dire démuni de sa porteuse.

… Nécessité de la modulation


Modes de modulation …

• La modulation peut être soit :

– Une transposition plus ou moins directe du spectre du message vers les HF (modulation analogique d’amplitude, ou de fréquence, modulations numériques)

– Une modification radicale du signal lui-même et utilisation des moyens numériques, notamment l’échantillonnage (modulation par impulsions),

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


… Modes de modulation …

• Les types de modulation peuvent être classés selon plusieurs critères:

1.Distinction par rapport à la forme du signal porteur:

a) La modulation est continue si l'onde modulée est émise sans aucune interruption (porteuse sinusoïdale),

b) La modulation est par impulsions (porteuse sous forme d’un train d’impulsions).




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

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

b) Sinon la modulation est numérique dans le cas où le signal modulant est numérique.




3.Distinction par rapport à la forme du signal modulé:

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



• Nous classerons les types de modulation

comme suit:

1.La modulation analogique continue;

2.La modulation numérique;

3.La modulation analogique par impulsions;

4.La modulation par impulsions codées.


1. Modulation analogique continue

• Signal porteur analogique (sinusoïdal)

• Signal modulant analogique (continu)

• Une porteuse sinusoïdale peut être modulée de

plusieurs façons par le message modulant:

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

• Variation de sa fréquence instantanée: fp(t) = fon[m(t)], ou

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

p t A tp p cos


Modulations linéaires

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

• D'autres modes de modulation du même type existent: – la modulation à bande latérale double (DSB),

– la modulation à bande latérale unique (SSB) et

– la modulation à bande latérale résiduelle (VSB).

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


Modulations non linéaires …

• Appelées aussi modulations angulaires ou exponentielles.

– L'amplitude crête de l'onde modulée reste inchangée.

– En modulation de fréquence (FM), la fréquence 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 à large bande (WB – Wide Band) et

• Celles à bande étroite (NB – Narrow Band).


Exemples de Modulations Analogiques


2. Modulations numériques

• Signal porteur analogique (sinusoïdal)

• Signal modulant numérique (séquence binaire)

• En modulation numérique, on parle de:

– ASK (Amplitude Shift Keying): Modulation à saut d’amplitude

– PSK (Phase Shift Keying): Modulation à saut de phase

– FSK (Frequency Shift Keying): Modulation à saut de fréquence

• On dit que la porteuse passe d’un état à un autre état

lorsque le signal modulant change d’une valeur à une

autre.


Exemples de Modulations Numériques


3. Modulation analogique par

impulsions

• Signal porteur numérique (train d’impulsions)

• Signal modulant analogique (continu)

• Un train d'impulsions rectangulaire pourra être considéré comme un signal de porteuse.

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

amplitude

– PDM/PWM (Pulse Duration/Width Modulation): Modulation d'impulsions en durée 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 durée ou de largeur, la

durée des impulsions varie proportionnellement au

message modulant;

– Le plus souvent on conserve un temps de référence fixe au

début, à la fin ou au milieu de chaque impulsion modulée en

durée ainsi qu'une impulsion de référence (durée T0) au début

du train d'impulsions.


Modulation analogique par impulsions

• En modulation d'impulsions en position, des impulsions identiques sont émises à des intervalles de temps différents: le rythme de répétition 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 modulées dans le temps. Ils seront regroupés sous le sigle PTM.


Exemples de Modulation analogique par impulsions


4. Modulation par impulsions

codées

• Signal porteur numérique (train d’impulsions)

• Signal modulant numérique (séquence binaire)

• Pour être codé, un message modulant doit en premier

lieu être échantillonné puis quantifié:

– Des niveaux de quantification distincts permettent d'attribuer des

valeurs propres aux amplitudes.

• Le message peut alors être représenté par une série

d'impulsions. Celles-ci pourront être émises telles

quelles (en bande de base) ou modulées.


Modulation par impulsions codées

• On distingue donc trois étapes lors de la modulation par impulsions codées -MIC (Pulse Coded Modulation - PCM):

– Echantillonnage ;

– Quantification ;

– Codage ;


Récapitulation des modes de modulation

PORTEUSE MESSAGE

continue(sinusoïdale)

impulsions

analogique(continu)

discret(numérique)

AM - FM - PM

ASKFSK

PSKPAM

PWMPPM

PCM - W-CDMA


Récapitulation des modes de modulation

Type de modulationParamètre moduléForme de porteuseInformation transmise

AM, DSB, SSB, VSBAmplitude

Sinusoïde

Analogique

FM (NBFM/WBFM)Fréquence

PM (NBPM/WBPM)Phase

PAMAmplitude

Train

d’impulsions

PFMFréquence

PPMPhase

PDMdurée

ASK, OOKAmplitude

SinusoïdeNumérique

FSK, CPFSK, MSK,

GMSK

Fréquence

PSKPhase

QAMPhase et amplitude


Critères de comparaisonentre divers modes de modulation

• La bande de fréquence utilisée ;

• Le rendement en énergie, et puissance moyenne transmise;

• La complexité des circuits de l'émetteur et du récepteur ;

• Performances du système de modulation en présence du bruit (SNR, Fonction erreur, …);


Modulations multiples &

Multiplexage …• Tout canal de transmission ou liaison de

données est caractérisé par sa capacité qui indique la quantité d'informations maximale qu'il peut véhiculer par unité de temps.

– Dans un canal analogique, cette quantité se traduit par la largeur de bande du canal exprimée en Hertz (Hz);

– Dans le cas d'un canal numérique, cette quantité se traduit par le débit qu'on peut transmettre à travers ce canal et est exprimée en bits par seconde (bps).


… Modulations multiples & Multiplexage …

• Il arrive souvent que l'information échangée durant un intervalle de temps donné entre un émetteur et un récepteur n'utilise pas toute la capacité du canal de transmission.

• Efficacité + coût de la communication = groupement sur une seule liaison le trafic provenant de plusieurs utilisateurs


• Objectif du multiplexage /démultiplexage: permettre à

plusieurs utilisateurs de se partager un même support

physique de transmission, en ayant l'impression d'être

seul à utiliser ce support.

• Plusieurs messages peuvent être modulés

indépendamment sur des sous-porteuses différentes;

– L'ensemble de ces signaux modulés peut servir de signal

modulant d'une porteuse de fréquence plus élevée;

• Cette méthode s'avère compatible avec certaines techniques ou

média de transmission.




• Cette exploitation simultanée de support de transmission se justifie par deux facteurs:

– le coût des liaisons de transmission de grande capacité ;

– le fait que celles-ci ne soient pas toujours utilisées intégralement;



• Multiplexage : mécanisme de concentration des liaisons selon lequel les informations provenant de plusieurs liaisons de faible capacité sont regroupées en un bloc unique transmis sur une liaison de grande capacité;

• Démultiplexage : opération inverse du multiplexage, c.à.d, le partage de la liaison composite en liaisons individuelles.


• Multiplexage: mécanisme de partage du canal

de transmission (liaison de grande capacité)

entre plusieurs liaisons de faible capacité.

• Fonctions d'un système de multiplexage:

– Concentration des liaisons;

– Corrections des erreurs de transmission;

– Gestion du réseau



Multiplexage

Emetteur

Emetteur

Emetteur

Récepteur

Récepteur

Récepteur

Canal




• D'une manière générale, nous distinguons quatre

techniques de multiplexage:

– FDM (Frequency Division Multiplexing): Multiplexage par

répartition en fréquence ;

– TDM (Time Division Multiplexing): Multiplexage par répartition

dans le temps;

– CDM (Code Division Multiplexing): Multiplexage par répartition

de code;

– WDM (Wavelength Division Multiplexing) : Multiplexage par

répartition des longueurs d'onde ;


Multiplexage fréquentiel - FDM

Bande

1

Bande

2

Bande

K-1

Bande

K

………..

Fréquence

f


Multiplexage temporel - TDM

TC : temps de transmission

d’un échantillon

T : temps entre 2 échantillons

T TC

Temps inutilisé

t

Hiérarchie du standard de multiplexage

temporel Américain

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 digitizedvoice lines

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



Multiplexage codé - 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 2

Optical

transmitter 3

Optical

transmitter 4

l1

l2

l3

l4

Optical

multiplexerWDM Output

In one fiber

Individual optical channels

TDM input

l1, l2, l3, l4

Whole unit can be put in

One box as WDM

transmitter



Multiplexage en longueur d'onde – WDM

opérant à 1550nm

MAN S1 - Introd_Mod

Documents

Transcript of MAN S1 - Introd_Mod