Les techniques de transmission : codage numérique et analogique de l'information - Le multiplexage - DSL

1  - Introduction

La couche physique est la couche la  plus basse du modèle OSI. Son rôle est de permettre la transmission des données et l‘adaptation de cette transmission au support physique. L’objet de ce chapitre est d’étudier les principales techniques de transmission et de codage du signal sur les différents supports. Cette transmission de données a pour rôle de mettre en communication deux  ou  plusieurs  systèmes  à  travers  d‘une  part  un  support  physique,  et  d‘autres  part  des protocoles d‘échange de données. Cette transmission 

2  - Mode d’exploitation 

Une ligne de données peut être exploitée de différentes manières. 

     

• Transmission simplex, réalisée entre deux équipements. La transmission ne se réalise que dans un sens et à l’initiative de l’émetteur. 
• Transmission  semi  duplex,  réalisée  entre  2  équipements  dans  les  deux  sens,  la transmission se faisant à l’alternat (non simultanément). Le premier élément qui émet est souvent le responsable de la communication ainsi que celui qui l’établit. 
• Transmission full duplex réalisée dans les deux sens et en simultané. 

   
Cette transmission en fonction des supports peur se réaliser soit de façon numérique, soit de façon analogique. 

2.1  La transmission numérique 

Cette transmission, également appelée digitale (de l’anglais digit) correspond au codage de  l’information  sous forme  d‘une  succession de 1  et  de  0.  Ces  éléments sont  transmis sous forme de signaux électriques dont la valeur est adaptée aux types de composants utilisés. 
      

       
2.2  La transmission analogique 

Le signal est représenté par une onde sinusoïdale appelée ONDE PORTEUSE de forme 
  

 

Fréquence f = nombre de périodes T en 1 seconde.
 
La transmission de signaux analogiques est réalisée à l’aide d‘appareils appelés des Modems. 
  
3  - Le codage de l’information numérique

Dans ce type de transmission, l‘information est émise sous sa forme initiale (numérique), avec  uniquement  une  amplification  et  éventuellement  une  codification.  Ce  type  de transmission est également  appelé  transmission en  bande  de  base.  C’est celle  qui  est le  plus utilisée pour des transmissions courtes (liaisons séries, Ethernet… ). 
  
3.1  L‘information à la base 

Au  niveau  des  composants  de  transmission  dans  l‘ordinateur,  les  informations  binaires  sont codées de façon basique : 
        

• Un signal à 1 est codé sous un signal compris entre 2 et 5V 
• Un signal à 0 est codé autour de 0V. 

             
Ce type de codage qui est le plus simple reste localisé à l‘intérieur de la carte mère et N’est pas adapté à une transmission filaire dans la mesure où un signal à 0 est très sensible à toute  perturbation  électrique.  De  plus,  dans  ce  type  de  transmission,  un  signal  nul  peut  à  la fois représenter la transmission d‘un 0, mais également l‘absence de transmission. Ce qui fait que la reconnaissance d‘un message avec ce type de codage reste problématique. Pour palier ces différents problèmes, d‘autres codes plus évolués ont été créés. 

Les principaux sont : 

  

• Le code NRZ (le plus simple)
• Le code Manchester (utilisé sur Ethernet)
• Le code de Miller

3.2  Le code NRZ 

Le codage NRZ (Non retour à Zéro) code le bit 1 par un signal positif, le bit 0 par un signal négatif
         

 
3.3  Le code NRZI

 
Le  code  NRZI  (No  Return  to Zero  Inverted)  est en fait  une  variante  inversée  du  code  NRZ.
Un bit 0 est codé par une tension positive, un bit à 1 par une tension négative. Il s‘agit du type de transmission utilisé entre autre sur une ligne RS232 avec des niveaux de tensions de + ou œ 12 Volts. 

L‘inconvénient de ces types de codage réside dans la détection et la reconnaissance de longues chaînes de 0 ou de 1.  

3.4  Le code Manchester 

Le  code  Manchester  ou  code  biphasé  cherche  à  amener  une  réponse  au  problème précédent.  Ce  code  est  basé  sur  une  variation  du  signal.  Il  s‘agit  d‘observer  la  variation  du signal entre le début et la fin du temps élémentaire. 
    

• Le bit 1 est codé par une variation de +V à œV 
• Le bit 0 est codé par une variation de œV à +V 

        

Ce code est celui adopté pour les réseaux Ethernet. 

3.5  Le code Manchester différentiel

De la même façon, ce code (biphasé différentiel) est basé sur les transitions du signal. 

        

• Le bit 0 est codé par une transition en début du temps élémentaire
• Le bit 1 est codé de la même façon par une transition en milieu du temps élémentaire 

        
La transition réalisée dans tous les cas en milieu du temps élémentaire permet de garder une synchronisation entre l‘émetteur et le récepteur. 
       

Ce code est celui utilisé dans la norme 802.5


3.6  Le code de Miller 

Le code de Miller est également basé sur une codification à partir des transitions du signal 

       

• Le bit 0 est codé par l‘absence de transition pendant le temps élémentaire 
• Le bit 1 est codé par une transition

        
Pour éviter le problème de synchronisation lié aux longues séquences de 0, une transition en cas de succession de 0 est réalisée en début de chaque temps élémentaire. 
       

        
4 - Quelques définitions 

4.1  La Bande Passante (W )

       
La principale caractéristique d'une voie de transmission (câble, fibre optique, etc.) est sa bande  passante.  C'est  l'intervalle  de  fréquences  à  l'intérieur  duquel  les  signaux  seront correctement transmis.

Pour  transmettre  des  signaux  numériques  (signal  "carré")  il  faut  que  la  ligne  de transmission possède une grande bande passante. Les signaux analogiques utilisent une bande passante  plus  étroite.  Le  RTC  (Réseau  Téléphonique  commuté)  offre  un  intervalle  de fréquence de 300 à 3400 Hz, ce qui limite la bande passante à 3,1 kHz.

4.2  La valence d‘une voie 

Un  codage  associe  une  valeur  physique  (un  signal  électrique)  à  une  valeur  logique  (un signal binaire). La valence notée V est le nombre de valeurs que peut prendre l‘état physique à un instant t. 
Par exemple, dans les cas précédents, on parle de bivalence : Le signal peut prendre 2 valeurs de tension +V ou -V 
 
4.3  Le moment élémentaire 

C‘est la durée élémentaire pendant laquelle il est nécessaire d‘émettre le signal physique sur le  câble  afin  qu‘il  soit  reconnu  par  le  récepteur.  Ce  temps  s‘exprime  en  secondes.  On  parle également de temps d‘horloge. Le moment est noté Tm

4.4  La vitesse de modulation

C‘est  le  nombre  de  valeurs  physiques  émises  par  secondes.  La  vitesse  de  modulation  (ou Rapidité de Modulation) se note  Rm et s‘exprime en bauds. 
       

La vitesse de modulation correspond au nombre d‘états physiques que l‘interface peut émettre par seconde.

4.5  Le débit binaire

Également  appelé  vitesse  de  transmission,  c‘est  le  nombre  de  valeurs  logiques transmises par seconde. Il est noté D et s‘exprime en bits/s
   

k correspond au nombre de valeurs physiques utilisées pour coder une information. 

Exemple concret : 

        
Le code NRZ permet de transmettre 1 bit pour une tension donnée (+ ou -V).  

 

• k  = 1
• V = 2

       
Dans ce cas  D = Rm. Le débit est égal à la vitesse de modulation

Dans  le  cas  des  codes  Manchester,  il  est  nécessaire  de  lire  les  2  valeurs  reçues  pendant  le temps  élémentaire  afin  de  constater  les  transitions.  Dans  ce  cas, Rm = 2 * D .  La  vitesse  de modulation est double du débit.

Dans  la  pratique,  la  capacité  maximale  (avec  un  taux  d'erreurs  tolérable)  d'une  ligne téléphonique est de 2400 Bauds soit 9600 bps en codant quatre bits par signal, 14400 bps en codant six bits par signal ou 28 800 bps en codant douze bits par signal.

4.6  Déformation du signal

Les principales déformations que peut subir un signal sont : 

      

• L'affaiblissement (diminution de la puissance du signal)
• Les distorsions d'amplitude et de phase
• Les bruits (bruit blanc et bruit thermique)

        
4.7  Le temps de transmission


C‘est le temps  Tt en secondes qui s‘écoule entre le début et la fin de la transmission d‘un message sur une ligne physique. 
    

L représente la longueur du message en bits, D le débit binaire.

5  - Le codage de l‘information analogique 

5.1  Les différentes modulations 

5.1.1 Modulation et démodulation 

Les limites de la transmission en bande de base sont fixées par les supports de transmission et par la distance. Au delà d‘un certain seuil, des dégradations sont observées, ce qui fait que la transmission ne peut plus être réalisée sans erreurs. 

Il apparaît donc nécessaires d‘utiliser d‘autres types de transmission. Cet autre type est réalisé par une transformation analogique du signal. Cette transformation est assurée à l‘aide d‘appareils appelés Modem. 
      

      
Un Modem réalise les 2 opérations :

      

• Modulation : transformation du signal numérique en analogique 
• Démodulation : transformation du signal analogique en numérique 

     
Cette  transformation  par    MODEM  est  réalisée  par  modulation  du  signal  analogique  selon trois méthodes possibles :

        

• Modulation de Fréquence
• Modulation d'Amplitude
• Modulation de Phase

      

5.1.2 La modulation de fréquence

Cette  modulation  est  également  appelée  saut  de  fréquence  (FSK  Frequency  Shift  Keying). Elle s‘appuie sur l‘utilisation de 2 fréquences pour représenter les 2 valeurs binaires
   

f1 et  f2 sont choisies telles que 
 

       
La norme V21 permet d‘utiliser 4 valeurs de fréquences avec 2 fréquences porteuses, ce qui permet de réaliser une communication full duplex. 
    

          
5.1.3 La Modulation d’amplitude 

Cette modulation (AM Amplitude Modulation)  s‘appuie sur l‘utilisation de 2 amplitudes pour coder  les  2  valeurs  du  signal.  Dans  ce  cas,  une  seule  fréquence  est  utilisée  pour  transmettre l‘information. 
     

         
5.1.4 La modulation par saut de phase 
         
Cette  modulation  (PSK  =  Phase  Shift  Keying)  utilise  la  phase  du  signal,  mais  surtout  le déphasage afin de coder les différentes valeurs du signal.
    

      
Cette modulation PSK peut être utilisée sur 4 phases différentes pour émettre les bits 2 par 2 afin  de  doubler  le  débit  binaire  sur  la  ligne  sans  augmenter  la  rapidité  de  modulation.  La modulation par saut de phase est définie par la norme V22 du CCITT 

5.1.5 Les modulations mixtes

Il  est  également  possible  de  combiner  ces  différentes  techniques  de  modulation  afin d‘augmenter  le  débit  binaire  des  lignes  de  transmission  sans  augmenter  la  rapidité  de modulation. Ces mixages sont normalisés par le CCITT : 

La  norme  V29  définit  une  modulation  par  saut  de  phase  sur  8  valeurs  et  d‘amplitude  sur  2 valeurs  (PSK/AM).  Cette  modulation  permet  de  définir  16  valeurs  logiques  sur  une  seule valeur physique, ce qui permet d‘atteindre un débit binaire de 9600 bits/s pour une rapidité de modulation de 1200 bauds. 
 
5.2  Le multiplexage 
 
Le multiplexage consiste à partager un support de transmission en plusieurs liaisons virtuelles.

Ce partage peut être réalisé 

       

• Pour réaliser une communication full duplex
• Pour mettre en place plusieurs canaux de communication “indépendants “

 
5.2.1 Le multiplexage fréquentiel

Le  multiplexage  fréquentiel  consiste  à  découper  la  bande  passante  permise  par  le  câble  en plusieurs bandes de fréquences. Le nombre de fréquences possibles est directement fonction des caractéristiques du câble. 
        

           
5.2.2 Le multiplexage tempore

Le principe consiste à partager le temps d‘accès au support de transmission dans le temps, et d‘allouer à chaque utilisateur un espace de temps. Il peut être possible de partager le temps de façon  statique  (allocation  de  plages  identiques)  ou  de  manière  dynamique  (allocation  en fonction des demandes ou de la priorité)
       
6  - La synchronisation de la communication 

En  transmission  de  données,  les  informations  sont  émises  en  série  sur  la  ligne.  En  code NRZ un 1 est codé par une impulsion positive et un zéro par une impulsion négative : 
 

   
L'absence  de  synchronisation  permanente  entre  émetteur  et  récepteur  (horloges différentes) entraîne un risque d'incohérence du message, le récepteur n'échantillonnant pas le signal au même rythme que l'émetteur les fournit. Pour résoudre ce problème, on utilise des codages  plus  complexes  (code  Manchester,  Manchester  différentiel… ),  et  il  en  ressort  deux modes de transmission :

           

• Le mode ASYNCHRONE 
• Le mode SYNCHRONE.

     
6.1  Transmission asynchrone
 
La  transmission  est  réalisée  OCTET  par  OCTET  (8  Bits).  Pour  synchroniser  l'horloge réceptrice avant chaque transfert d'un octet,  il faut ajouter des bits qui vont "encadrer" l'octet à transmettre :
     

• Bit de Début de caractère (START) 
• Bit de Fin de caractère (STOP)

          
Dans la pratique, on utilise un bit START et un ou deux bits STOP

Pour  transmettre  un  octet,  il  faut  donc  au  minimum  dix  bits.  De  plus,  il  faut  observer  des temps  de  silence  entre  les  caractères  afin  de  garantir  la  re-synchronisation  entre  chaque caractère. Ce mode de transmission est réservé à des transmissions courtes (quelques mètres) et à basses vitesses (< 9600 bps).

6.2  Transmission synchrone

La synchronisation est maintenue durant toute la transmission de la trame qui s'effectue BIT à BIT. En fait, l‘horloge est transmise en même temps que les données grâce au codage qui assure en permanence une synchronisation du récepteur avec l‘émetteur. 
       
Pour synchroniser l'horloge réceptrice on utilise :

         

• une séquence spéciale de début de transmission riche en transitions (passages de 0 à 1 et de 1 à 0)
• des bits spéciaux de correction de phase d'horloge (codage)

     
Ce mode de transmission permet d'envoyer les bits des octets les uns à la suite des autres sans séparation entre les octets ce qui permet d'atteindre des débits élevés. 
        
7 - Les technologies DSL

Ces technologies sont nées suite à la limitation liée à l‘utilisation des lignes téléphoniques et à la structure du réseau existant. Le réseau téléphonique a atteint ses limites avec la norme V90 des Modems qui permettent d‘atteindre un débit de 56 KBps. 

Ce point sera vu avec les liaisons longues distances.