Le niveau physique ou les bases de la transmission numérique: la signalisation, la modulation, les média de transmission, les connecteurs, le choix d'un support. | |||||||||||||||||||||
Introduction | |||||||||||||||||||||
Introduction | |||||||||||||||||||||
Le rôle du niveau physique est de permettre l’échange de bits (voire des octets) sur un médium de transmission. La
transmission des bits peut se faire en série (bit à bit) ou
en parallèle (octet par octet). La transmission en parallèle
nécessite plusieurs conducteurs (au moins 1 par bit) et est plus
coûteuse en équipements. Elle n'est donc utilisée que sur de courtes
distances. Dans tous les
cas, il faut synchroniser l’émetteur avec le récepteur afin que ce
dernier puisse reconnaître les signaux. Le signal peut être transmis numériquement (pulses carrés, absence/présence de lumière, etc.) ou analogiquement. Le choix du mode de transmission dépend des équipements utilisés. À tout cela,
s’ajoutent des erreurs de transmission de l’information qu’il faut
détecter. Ce sont ces problèmes et leurs solutions que nous abordons
ici. | |||||||||||||||||||||
Signalisations analogique et numérique | |||||||||||||||||||||
L’une des caractéristiques des signaux transmis sur un médium est leur forme ou correspondance avec la sémantique de l’information à transmettre. Prenez l’exemple de la voix. On peut la transmettre sur un fil de cuivre par un courant électrique dont l’amplitude et la fréquence seront analogues au signal original. On parle alors d’une transmission analogique. On peut aussi numériser la voix (la représenter par une séquence de 0 et de 1) et envoyer le patron de bits sur une fibre optique où l’absence de lumière représente un 0 et la lumière un 1. On parle alors de transmission numérique. Mais pourquoi ne pas toujours utiliser le même type de signalisation? Pour plusieurs raisons. La principale est que certains média ne permettent qu’un seul type de signalisation. Par exemple, la fibre optique transporte ou non un signal lumineux (0 et 1). Vous avez aussi le cas du téléphone qui, pour au moins la portion reliant un appareil téléphonique à la centrale (local loop), est un médium prévu pour une transmission analogique (même s'il est possible d'y transmettre numériquement).
Un signal analogique varie d’une façon continue et en amplitude en fonction du temps. Un signal analogique se caractérise par son amplitude, sa fréquence, sa phase et sa longueur d’onde. L’amplitude d’un signal est sa hauteur ou son intensité à un moment donné. En télécommunication, l’amplitude d’un signal est exprimée en volt (puisqu’on utilise généralement des signaux électriques). Le temps que prend un signal régulier à faire un cycle complet est sa période. Le nombre de cycles que le signal accomplit par unité de temps est sa fréquence. La fréquence dépend donc de la longueur d’onde. La phase fait référence à la position du signal au cours d’un cycle. Par exemple, lorsque deux signaux sont en phase, ils seront simultanément à leur point le plus haut, puis leur plus bas, etc. Le signal sur
la figure précédente correspond à une seule fréquence. Généralement,
un signal comme la voix sera composé de plusieurs fréquences.
Un signal
numérique est formé d’une suite de pulses carrés représentant
généralement des 0 et des 1. La transmission numérique présente
plusieurs avantages sur la transmission analogique. Nous verrons ces
avantages plus loin. En attendant, vous pouvez toujours essayer d’en
deviner quelques-uns.
Les équipements de
transmission et de réception doivent s’entendre sur la "durée" d’un
bit. Il est toutefois plus pratique de raisonner en terme de bits
par seconde. Il faut faire attention à la nuance entre bits par
seconde et le terme baud. Les bauds indiquent le nombre de
variations d'un signal par seconde. Bits par seconde (bps) et baud
sont équivalents lorsque chaque transition du signal représente un
bit 0 ou 1. Toutefois, par exemple, on peut utiliser une modulation
QAM
et le nombre de bps sera alors au moins quatre fois plus élevé que
le nombre de bauds. | |||||||||||||||||||||
Modulation | |||||||||||||||||||||
Pour passer d’une signalisation numérique à analogique, il faut moduler le signal. Ce signal analogique sera en bout de ligne démodulé pour reconstituer le signal binaire. Un appareil spécial effectue ces deux tâches: le modem (modulateur/démodulateur). Le principe est de modifier une onde porteuse aux propriétés définies (fréquence, amplitude et phase) afin d’y incorporer un signal numérique (modulation) et ensuite de reconstituer le signal numérique (démodulation). La modulation
d'amplitude (AM)
On a trois façons de moduler un signal. La première est de faire varier son amplitude. On différenciera alors les 0 et 1 par des niveaux d’amplitude différents.
Différentes amplitudes peuvent représenter des états logiques
distincts, comme dans le dessin ci-dessous.
La modulation de fréquence (FM)On
peut aussi jouer avec la fréquence du signal. On utilisera alors une
fréquence déterminée pour représenter un 0 et une autre pour
représenter un 1.
La modulation de phaseEnfin, on peut faire varier la phase du signal. Par exemple, on pourra représenter un 1 par un déphase de 180 degrés du signal. PM (Phase Modulation) est un procédé de comparaison de deux signaux. La relation temporelle entre les deux signaux est appelée "angle de phase".
Dans le dessin ci-dessous, les deux signaux varient en amplitude simultanément et ont donc un déphasage de 0°.
Avec un déphasage de 180°, le second signal démarre au milieu de la sinusoïde. Lorsque le premier signal est positif, le second est négatif et vice-versa.
Avec deux angles de
phase distincts, on peut représenter une information binaire. Par
exemple, il est possible de représenter un déphasage de 0° (par
rapport à la porteuse) comme "1" et un déphasage de 180° comme "0".
Avec des déphasages supplémentaires de 90° et 270°, il est possible
d'identifier au total 4 éléments correspondants aux 4 angles de
phase.
Ces quatre angles de phase sont représentés graphiquement par un graphique avec les valeurs des données représentées (00, 01, 10 et 11).
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Types de transmission | |||||||||||||||||||||
Une transmission, qu’elle soit analogique ou numérique, se caractérise aussi par le sens de propagation du signal. Le signal peut se propager dans un seul sens. On parlera alors de transmission simplex. La transmission peut se faire simultanément dans les deux sens ou full-duplex. Il faut noter qu’elle ne se fait pas nécessairement à la même vitesse dans les deux sens. On parle alors d’un lien asymétrique. Une transmission peut aussi se faire alternativement dans un sens, puis dans l’autre. On parle alors de transmission half-duplex. Le coût (par Ko transmis) des transmissions diminue généralement proportionnellement avec le nombre de Ko transmis. C'est drôle à dire, mais plus vous transmettez, moins vos transmissions par Ko seront dispendieuses. Ainsi, si vous réussissez à transmettre deux fois plus de données sur un même médium, vous n'aurez pas à acquérir plus de bande passante (ou un autre médium) et vos coûts diminueront. On a donc intérêt à utiliser le mieux possible les infrastructures existantes. La capacité de transmission d’un médium peut être subdivisée en canaux. Un canal est une voie de communication qui est distincte ou logiquement différente des autres canaux d’un même médium. La subdivision de la capacité d’un médium en plusieurs canaux est une technique dite de multiplexage. Généralement, on utilise un multiplexage en fréquence (Frequency Division Multiplexing ou FDM)
Habituellement, dans le FDM, on laisse des bandes de garde (ou gap) entre les bandes multiplexées. Le but de ces espaces est d'éviter que les signaux d'une plage de fréquences n'influencent ceux des plages adjacentes. Il faut aussi dire que les filtres et équipements qui assurent le shift de fréquence ne sont pas parfaits. Il existe
plusieurs autres types de multiplexage et la subdivision en canaux
par multiplexage en fréquence n’en est qu’un parmi d'autres. Le
multiplexage en temps consiste à partager un canal en n tranches de
temps. On attribue ensuite chaque tranche à une communication
donnée. La capacité du canal
peut ainsi être partagée entre n connexions. À la réception, on sait
qu’un intervalle de temps donné appartient à une connexion et on
peut donc reconstituer le message de celle-ci. Il faut comprendre que cette
façon de faire est très simple. Elle a par contre un défaut: un
intervalle est réservé à une connexion qu’elle ait quelque chose ou
non à transmettre. En plus, chaque connexion ne dispose en fait
que 1/n de la capacité du canal.
Le multiplexage statistique (ou concentration) corrige cette lacune. Dans le multiplexage statistique, un nœud accumule les informations à transmettre et donne plus de largeur de bande aux connexions les plus actives. Le système a aussi l’avantage de s’ajuster rapidement aux variations de trafic. Ce principe a toutefois un petit défaut: il faut identifier la provenance de chaque parcelle de données transmise. Ce qui nécessite quelques octets d’overhead. Le multiplexage statistique permet par contre d'expédier, durant les temps morts, des données non prioritaires.
Le
multiplexage par longueur d’onde est une variante du multiplexage en
fréquence s’appliquant à la fibre optique. C'est une technique très
sophistiquée. On transmet plusieurs signaux, provenant
habituellement de plusieurs sources, sur des longueurs d'ondes
différentes. Présentement, on réussit à multiplexer de cette façon
plus de 160 canaux sur une même fibre optique. En réalité, les
différentes longueurs d'onde ne sont que des fréquences différentes
de rayons lumineux. Le multiplexage par longueur d'onde est donc un
multiplexage en fréquence. | |||||||||||||||||||||
La contention et les relations entre les nœuds | |||||||||||||||||||||
Peu importe le médium de transmission et les techniques de multiplexage utilisées, on doit assurer une contention, i.e. gérer les accès au médium (ou à un de ses canaux). La façon de s'y prendre dépend aussi de la relation entre les nœuds qui veulent communiquer. On peut avoir
une relation maître-esclave. Dans ce type de configuration,
on a un nœud maître qui communique avec un ou plusieurs
autres nœuds dits esclaves. Pour mieux comprendre les
problèmes et solutions, pensez à une salle de classe où il y a un
professeur et des élèves. Il y a plusieurs façons d’éviter que tout
le monde parle en même temps (il ne faut pas oublier qu'un canal ne
peut superposer plusieurs conversations sans problème).
La première
solution consiste à faire du pooling. Ainsi, le
professeur demande aux étudiants: « Avez-vous des questions? ».
Les étudiants désireux de poser une question lèvent la main et le
professeur donne alors la parole successivement à ceux qui l'ont
demandée. On peut
toujours faire du multiplexage en temps: à la première minute de
chaque heure, un seul étudiant peut prendre la parole. À la seconde
minute, seul un autre peut le faire et ainsi de suite. Vous
comprenez que dans ce contexte, le TDM est très peu approprié. Une autre
configuration existe. C’est le poste à poste ou peer to
peer. Dans cette configuration, tous les postes ont la même
notoriété (pensez à une réunion autour d'une table). Le TDM pourrait
être utilisé dans ces cas, mais on va généralement utiliser une
technique de contention appelée "détection de collision". Revenons à
notre réunion. Un participant qui veut poser une question ou faire
une intervention, écoute pour déterminer si quelqu’un d’autre est en
train de parler. Lorsqu’il y a un silence, il tentera de parler.
Quelqu'un d'autre peut avoir la même idée et il y a alors
collision. Les deux (ou plus) s’interrompent et se
réessaieront un peu plus tard. Cette technique est souvent utilisée
dans les réseaux locaux. Une autre
technique utilisée est celle du jeton. Un jeton (ou droit de parole)
circule d’un nœud à l’autre. Celui qui a le jeton est le seul qui
peut parler. Celui qui a le jeton doit donc le faire circuler et non
l’accaparer. Cette technique est utilisée dans des réseaux dits
token rings et dans d’autres types de réseaux locaux
(token bus et FDDI). | |||||||||||||||||||||
Capacité et bande passante | |||||||||||||||||||||
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On exprime aussi la
capacité d’un canal par sa bande passante ou largeur de
bande. En réalité, si vous pouvez transmettre entre 500 et 560
MHz, vous avez une largeur de bande (ou bande passante) de 60 MHz.
Plus la bande passante est élevée (large), plus vous pourrez
transmettre d’information. La quantité
d’information qui peut être échangée dépend de la capacité de
transport du médium (capacité à transmettre le signal), de la
fréquence et de la largeur de bande. En effet, selon le médium,
certaines fréquences seront atténuées plus rapidement que d'autres.
Il se produit alors des distorsions qui, si elles sont importantes,
causeront des erreurs de transmission. Ainsi, la capacité C d’un
canal sera proportionnelle à W ln2(1 + S/B) où W
est la largeur de bande (en Hertz) et S/B le rapport signal sur
bruit (exprimé en décibels).
Pour augmenter la capacité, on doit diminuer le bruit B,
augmenter la largeur de bande W ou augmenter l’amplitude du signal
S. Généralement, on ne peut augmenter que sensiblement l’amplitude
du signal. Par contre, on pourra utiliser des technique de codage
qui nous permettront de transmettre plus d’un bit à la fois (voir
plus loin). Deux autres termes
sont utilisés couramment en réseautique. Ce sont les termes bande de
base (baseband) et bande large
(broadband). La transmission baseband utilise
toute la bande passante pour expédier un signal. Ce type de
transmission est utilisée, par exemple, dans certains réseaux
locaux. Dans une
transmission broadband, la bande passante est subdivisée en
canaux (donc multiplexage en fréquence). Cette façon de faire est
utilisée, par exemple, pour la transmission des signaux de
télévision par câble. | |||||||||||||||||||||
Erreurs de transmission | |||||||||||||||||||||
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L’atténuation est une perte d'amplitude du signal au fur et à mesure que le signal se propage. Cette atténuation n'est pas la même pour toutes les longueurs d’ondes ce qui complique la tâche de régénération du signal. Pensez au son dans l'air. L'atténuation des sons clairs est plus rapide que les basses. Le seul moyen de
palier à l’atténuation est de régénérer le signal à intervalles
réguliers. Pour ce faire, et surtout dans le cas d’un signal
analogique, on utilise un amplificateur. Le problème avec
l’amplification, c’est qu’il amplifie tout le signal, i.e.
même les erreurs.
Lorsque le signal est
numérique, il est possible de le régénérer complètement. Le nouveau
signal est donc sans bruit et distorsion (au moins au début). Même si on dit que la
lumière voyage à la vitesse c, vous connaissez tous l’effet
d’un prisme sur la lumière. Les ondes ne voyagent pas toutes
exactement à la même vitesse. De ce fait, il se produit une
distorsion dans un signal composé de plusieurs fréquences car les
longueurs d’ondes plus courtes voyagent légèrement plus rapidement.
En plus, les longueurs d'onde plus courtes ont tendance à être
atténuées plus rapidement. Le signal ainsi déformé est
nécessairement différent du signal original. Seule une régénération
complète du signal peut éliminer ces perturbations. Il y a plusieurs sources de bruits sur un médium de transmission. Le bruit est une source de perturbations aléatoires et imprévisibles (sauf peut-être pour le niveau global du bruit). Les sources de bruits sont:
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Les média de transmission | |||||||||||||||||||||
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Passons maintenant en
revue les principaux média de transmission utilisés
présentement. | |||||||||||||||||||||
Le
bon vieux fil de cuivre (ligne téléphonique) | |||||||||||||||||||||
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La bande passante
d’une paire de fil de cuivre varie de 4 KHz à plus de 100 MHz selon
la distance, le diamètre du fil, les conditions environnementales et
le type de modulation utilisé. | |||||||||||||||||||||
Le câble coaxial | |||||||||||||||||||||
Le câble coaxial est semblable à celui utilisé pour la télévision. Le câble coaxial est formé d’un conducteur central en cuivre (âme), entouré d’un isolant en téflon ou en PVC. Le tout est entouré d’une tresse métallique qui assure la mise à la terre et protège le conducteur central des bruits électromagnétiques externes. Enfin, le câble est isolé par une gaine isolante.
Le câble
coaxial est assez dispendieux à cause des matériaux utilisés et de
sa fabrication plus complexe. Grâce à son
blindage, le câble coaxial peut être utilisé sur de longues
distances et à hauts débits. On l'utilise surtout pour des
installations de base. On distingue
habituellement deux types de câbles coaxiaux:
Thinnet et Thicknet utilisent tous deux des connecteurs BNC (British Naval Connector) pour relier les câbles aux ordinateurs. Dans
la famille BNC, on trouve:
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Les paires torsadées (twisted pairs) | |||||||||||||||||||||
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Il existe plusieurs
catégories de câbles torsadés. La plus utilisée est la CAT5. Elle
est non blindée et contient 4 paires de fils. Le CAT5 peut
accommoder des débits de 100 Mb/s.
Les normes UTP
conditionnent le nombre de torsions par pied (33cm) de câble en
fonction de l’utilisation prévue. La norme EIA/TIA 568 utilise UTP
pour créer des normes applicables à toutes sortes de locaux et de
contextes de câblage qui garantissent au public l’homogénéité des
produits. Ces normes incluent
cinq catégories de câbles UTP: Catégorie 1:
Câble téléphonique traditionnel (transfert de voix mais pas de
données). Catégorie 2:
Transmission des données à 4Mbit/s maximum (RNIS). Il est composé de
4 paires torsadées. Catégorie 3: 10
Mb/s maximum. Il est composé de 4 paires torsadées et de 3 torsions
par pied. Catégorie 4: 16
Mb/s maximum. Il est composé de 4 paires torsadées en cuivre.
Catégorie 5:
100 Mb/s maximum. Il est composé de 4 paires torsadées en cuivre.
Le câble
STP utilise une gaine de cuivre de meilleure qualité et
plus protectrice que la gaine utilisée par le câble UTP. Il contient
une enveloppe de protection entre et autour des paires. Dans le
câble STP, les fils de cuivre d’une paire sont eux-mêmes torsadés,
ce qui fournit au câble STP un excellent blindage, c'est-à-dire une
meilleure protection contre les interférences. D'autre part, il
permet une transmission plus rapide et sur une plus longue distance.
La paire torsadée se branche à l’aide d’un connecteur RJ-45. Ce connecteur est similaire au RJ-11 utilisé dans la téléphonie mais différent sur certains points. Le RJ-45 est légèrement plus grand et ne peut être inséré dans une prise de téléphone RJ-11. De plus, le RJ-45 se compose de huit broches alors que le RJ-11 n’en possède que quatre.
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La fibre
optique | |||||||||||||||||||||
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Une fibre optique est formée d’un cœur qui contient une ou plusieurs fibres de verre. Le cœur est entouré d’une gaine (cladding) qui a un indice de réfraction différent ce qui agit comme un miroir. Le tout est entouré d’une gaine de protection. Un câble de fibre optique est formé de plusieurs fibres (comme dans la figure ci-bas) accompagnées d’un câble ou de fibres de kevlar permettant une traction (car la fibre est peu résistante à la traction), un conducteur (pour alimenter des équipements de régénération du signal, par exemple) et de diverses enveloppes protectrices.
Il y a trois grands types de fibres optiques:
Le dessin ci-dessus indique comment se produit la réflexion des signaux lumineux en fonction de leur angle d'émission. Le chemin parcouru n'a pas la même longueur pour tous les rayons. C'est ce que l'on appelle la dispersion nodale. La fibre monomode dont le cœur est si fin que le chemin de propagation des différents mode est pratiquement direct. La dispersion modale devient alors quasiment nulle. La bande passante transmise est presque infinie (> 10 GHz/km). Cette fibre est utilisée essentiellement pour les sites à distance. Le petit diamètre du cœur (10um) nécessite une grande puissance d'émission, donc des diodes laser qui sont onéreuses.
Propagation de la lumière dans les trois types de fibres Le transceiver optique a pour fonction de convertir des impulsions électriques en signaux optiques véhiculés au cœur de la fibre. À l'intérieur des deux transceivers partenaires, les signaux électriques seront traduits en impulsions optiques par une LED (Light Emitting Diode)et lus par un phototransistor ou une photodiode.
On utilise une fibre pour chaque direction de la transmission. Les émetteurs utilisés sont de trois types:
L'affaiblissement de
la lumière dans la fibre est fonction de la longueur d'onde de la
source. Le dessin ci-dessus montre que l'affaiblissement est plus
important vers (850 nm) que dans l'infrarouge (1300-1550
nm). Les plus grands
inconvénients de la fibre optique sont son coût, sa transmission en
mode simplex, sa difficulté de raccordement et sa faible résistance
aux tractions et flexions. Ses avantages sont sa capacité
(facilement >1 Gb/s), son coût sur de longues distances (peu de
raccordements), son immunité aux bruits et sa taille. Comme tous les
autres média, il y a atténuation du signal avec la distance, quoique
le besoin de régénération soit beaucoup moins important (30 à 40
km). | |||||||||||||||||||||
Infrarouge et ondes radio | |||||||||||||||||||||
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Les ondes radio sont
aussi utilisées. Elles nécessitent toutefois une antenne. Puisque la
longueur de l’antenne est inversement proportionnelle à la longueur
d’onde utilisée, on utilisera des ondes radio de hautes fréquences
(ex. 2,4 GHz) afin d’avoir une antenne d’au plus quelques
centimètres. On peut aussi utiliser
des micro-ondes. Les micro-ondes sont surtout utilisées par les
compagnies de téléphone pour le transport sur de longues distances
en zones peu peuplées (là où il serait trop dispendieux de passer
une fibre optique par exemple). Ces équipements sont courants dans
la région (tour de transmission micro-ondes sur les montagnes). Ces
antennes sont directionnelles. Cela implique que le récepteur doit
«voir» l’émetteur et que celui-ci doit émettre dans sa direction.
Les ondes radio sont
utilisées par les satellites de communication. Le satellite ne fait
que rétrodiffuser les signaux qu’il reçoit. Un satellite en altitude
peut couvrir jusqu’à 40% de la surface de la planète. Le satellite a
plusieurs canaux, ce qui permet de le gérer plus efficacement. Les satellites peuvent
être regroupés en catégories selon leur orbite. Un satellite
géostationnaire ou géosynchrone est à une altitude élevée au dessus
de l’équateur (environ 35 000 km) et tourne autour de la terre à la
même vitesse angulaire que celle-ci. Il est donc toujours au même
endroit dans le ciel par rapport à un point donné. Le principal
problème avec les communications avec un satellite géostationnaire
est le délai de transmission. Ainsi, l’aller-retour de la terre au
satellite peut prendre facilement plus de ¼ seconde. C’est une
éternité pour des ordinateurs. Si on place un
satellite a une altitude plus faible (300 à 600 km), il ne sera pas
géostationnaire. Il ne sera donc disponible que quelques minutes à
intervalles réguliers. Les compagnies de télécommunication ont réglé
le problème en plaçant une série de satellites à orbites
basses. | |||||||||||||||||||||
Câblage et mise en place d’un réseau | |||||||||||||||||||||
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La norme ISO 11801, définit la distance maximale (sans introduction de produits actifs) en fonction du média utilisé pour le lien et la classe d'application.
100 m = 90 m de câble horizontal + 10 m de cordons de liaison et brassage de la même catégorie
Les systèmes de câblage sont
généralement constitués d’un ou plusieurs locaux techniques
regroupant tous les câbles ou liaisons dites horizontales reliant
les prises murales installées dans tous les bureaux de chaque étage
du bâtiment. Des baies techniques sont installées dans des locaux
pour supporter les panneaux RJ-45 et tous les équipements actifs
nécessaires au fonctionnement du réseau. Chaque prise murale est reliée à une baie ou armoire de brassage. La baie de brassage est localisée dans un local technique inaccessible au public et au personnel non autorisé ou, à défaut, dans un coffret mural fermant à clé. Une baie de brassage comprend:
Schéma
d'utilisation d'une armoire de brassage | |||||||||||||||||||||
Transmission
asynchrone | |||||||||||||||||||||
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Il faut toujours
synchroniser l’émetteur et le récepteur. On faut donc un signal
d’horloge (transmission synchrone) ou un top indiquant le
début d’un message (transmission asynchrone). Dans la transmission
asynchrone, un message débute toujours par un start
bit qui n’est rien d’autre qu’un passage d’un niveau
bas à un niveau haut. On fait ensuite suivre les bits du message.
Après ceux-ci, on peut insérer un bit de parité. Enfin, le message
se termine nécessairement par au moins un stop
bit qui est un retour au niveau bas. Les deux entités s’entendent au préalable (configuration du matériel) sur le nombre de bits du message (data bits), sur l’utilisation d’un bit de parité et le nombre de stop bits. Il est nécessaire de s’entendre sur la longueur du message afin de différencier les données des bits de contrôle. La longueur d’un
message en transmission asynchrone est limitée à quelques bits afin
que les deux entités n’aient pas le temps de se désynchroniser. La
parité peut être nulle (pas de bit de parité), paire (nombre pair de
bits à 1 incluant le bit de parité) ou impaire. On a au moins un
stop bit. On peut configurer pour 1, 1,5 ou au moins 2
stop bits. | |||||||||||||||||||||
Transmission synchrone | |||||||||||||||||||||
Ici, un signal d’horloge ou de synchronisation est inséré dans les données. Nous verrons des exemples de cette technique avec les types de codage. | |||||||||||||||||||||
Conversion du signal | |||||||||||||||||||||
À cause des perturbations du signal, du médium utilisé et de la nature de l’information à transmettre, on aura souvent à convertir un signal. Ainsi, on devra être en mesure de faire des conversions Analogue-digitale (A-D), Digitale-digitale (D-D), D-A et A-A. | |||||||||||||||||||||
Conversion D-D
(digitale-digitale) | |||||||||||||||||||||
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Codage et synchronisationPour la transmission numérique, on utilise différentes sortes de codages (NRZ, RZ, Manchester, AMI, CMi, etc.).
Le codage NRZ
(No Return to Zero) est simplement un codage avec une valeur
+V pour représenter un 1 et –V pour représenter un zéro. De cette
façon, la composante continue du signal est nulle (s’il y a
globalement autant de 1 que de 0), ce qui donne une consommation
moindre de courant. Par contre, il y a risque de perte de
synchronisation (lors d'une longue séquence de 0 ou de 1). Ce codage
est surtout utilisé pour des terminaux et à l’interne des
ordinateurs (bus). Le codage NRZI
(NRZ Inverted) inverse le signal si le bit à transmettre est
un 0 et ne l’inverse pas s'il s’agit d’un 1. Cela évite un signal
continu (et une désynchronisation) lors d’une longue succession de
0. Par contre, une longue série de 1 est encore problématique.
Le codage
Manchester propose une inversion systématique du signal au
milieu de la période d’horloge, ce qui garantit un variation dans le
signal. Pour transmettre un 1, on utilise un front montant, et pour
transmettre un 0, d’un front descendant. Ce codage intègre donc un
signal de synchronisation. Il est très fiable et est souvent utilisé
dans les réseaux locaux. Le codage
Manchester différentiel réalise un OU exclusif (XOR) entre
l’horloge et les données. Il y a toujours une transition au milieu
de la période d’horloge, avec inversion entre 2 bits pour
transmettre un 0 et absence de transition pour transmettre un
1. Les deux codages Manchester permettent d’assurer une composante nulle du signal, mais demande un signal de fréquence deux fois plus importante qu’avec les codages NRZ. On a donc besoin de plus de bande passante pour transmettre la même information.
Le codage AMI
(Alternate Mark Inversion) est à 0 pour transmettre un 0 et à
1 ou –1 lorsque le bit à transmettre est 1. C’est le niveau
précédent qui détermine si ce sera 1 ou –1. Ce codage est utilisé en
téléphonie. Il risque de se désynchroniser lors d’une longue
séquence de 0. Le codage CMI
passe de 0 à 1 (à mi-course) pour coder un 0. Le signal ne change
pas pour coder un 1. On retourne toujours à 0 à la fin d’un
bit. Ce codage est donc
self-clocking, mais risque de se désynchroniser s’il y a une
longue suite de 1. Il existe d’autres
types de codages (biphasés, Miller, etc.). La détection des
erreurs de transmission
Pour détecter les erreurs de transmission, on insère des éléments supplémentaires avec les données. Ces éléments peuvent être:
Le principe du CRC est
À
la réception, on répète l’étape 1 avec les données reçues. Le reste
de la division par le polynôme devrait être égal au reste de la
division reçu. Cela implique que le polynôme est connu (fait partie
d’un standard ou échangé). Voici
un exemple simple de ce principe: Le polynôme est 10011. On transmet les données suivantes: 100110110110 plus un CRC de 4 bits dont voici le calcul (la division est un OU exclusif). 10011
01101 10 000
0 Exercice Expérimentez des
erreurs de transmission sur un ou plusieurs bits et recalculez le
CRC. Vous verrez qu’il est difficile de trouver des cas où les CRC
seront identiques lorsqu’il y a eu erreur de transmission. | |||||||||||||||||||||
Conversion D-A | |||||||||||||||||||||
Un signal baseband a souvent tendance à se dégrader rapidement, surtout parce que les média sont conçus pour transporter un signal analogique. Il convient alors de moduler le signal afin de faciliter son transport. La modulation est donc un exemple de conversion D-A. | |||||||||||||||||||||
| Conversion A-D | |||||||||||||||||||||
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Le PCM (Pulse Code
Modulation) consiste à mesurer la hauteur du signal analogique à
intervalle régulier et de représenter cette hauteur par une valeur
numérique qui sera transmise. À la réception, un
convertisseur D-A régénére le signal analogique. Cette technologie
est couramment utilisé en téléphonie pour numériser la voix.
Le signal analogique (trait continu) est échantillonné à intervalle régulier et sa hauteur est codée numériquement. À la destination, le convertisseur D-A reçoit les valeurs numériques et régénère un signal continu. La qualité du rendu est fonction du nombre de bits de codage de la hauteur d'un échantillon et de la fréquence d'échantillonnage. De façon générale, on échantillonne un signal analogique au double de sa fréquence pour le numériser sans perdre d’information (théorème de Nyquist). Le DM (Delta
Modulation) consiste à indiquer, par un bit à 1, un
accroissement du signal et, par un bit à 0, une décroissance de
l’amplitude. Cette technique de conversion ne nécessite que peu de
bits pour la conversion A-D. Par contre, elle n’est pas très
appropriée lorsque le signal varie très rapidement ou demeure
stationnaire. Le DPCM
(Differential PCM) est un compromis entre les deux méthodes
précédentes. Comme le DM, les bits échangés ne représentent que les
variations du signal et comme le PCM, plusieurs bits sont transmis
pour chaque échantillon.
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Conversion A-A | |||||||||||||||||||||
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Pour le cas
de la radio, le changement de fréquence permet de diminuer la
longueur de l’antenne. Par exemple, si une station de radio émettait
entre 300 et 4000 Hz, nous devrions avoir une antenne de 50 à 500 Km
pour capter un seul poste. En déplaçant le spectre de fréquences
(300 à 4000 Hz) dans une bande de fréquences plus élevées, on peut
capter le signal avec une antenne de quelques centimètres. Le
multiplexage en fréquence permet en plus de syntoniser plusieurs
postes. | |||||||||||||||||||||
Les modems | |||||||||||||||||||||
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La norme V.90
intègre la norme V.34 et il est donc nécessaire de les voir toutes
les deux. | |||||||||||||||||||||
Norme V.34 (modem 33.6 kbps) | |||||||||||||||||||||
La norme V.34 correspond à la limite théorique (théorie de Shannon) des modems analogiques sur le réseau téléphonique. La méthode de transfert des données est faite en QAM (Quadrature Amplitude Modulation), combinant la modulation de phase (PM) et d'amplitude (AM). Avec QAM, il est possible de transmettre simultanément un élément avec un certain angle de phase et une certaine amplitude. La représentation graphique de QAM est appelée constellation à cause des différents points. Le dessin ci-dessous représente une constellation pour la transmission d'éléments de 4 bits par point. Chaque point est aussi appelé un symbole.
Plus il y a d'angles
de phase et de niveaux d'amplitude, plus le nombre de bits
d'information transmis par symbole est élevé. Il y a cependant un
problème lorsque les points sont trop proches. Il n'est alors plus
possible au récepteur de faire la distinction avec le bruit de fond
de la ligne. Le taux maximum de transfert, tenant compte du bruit de
fond réel sur les lignes téléphoniques est de 35 kbps (selon la
théorie de Shannon). Cependant, selon le bruit et la distorsion
rencontrés sur une ligne donnée, on n'arrive qu'à une fraction de la
vitesse théorique maximum. La réduction de vitesse se fait en
réduisant le nombre de symboles dans la constellation (points
remplis dans le dessin au-dessus). | |||||||||||||||||||||
Norme V.90 (modem 56 kbps) | |||||||||||||||||||||
La technologie V.90 permet d'arriver (en théorie) à un flux descendant (du fournisseur au client) allant jusqu'à 56 kbps sur le réseau téléphonique public. Elle dépasse la limite théorique imposée par les modems analogiques en exploitant une connexion numérique du côté des serveurs. Le seul segment analogique est la connexion entre la centrale téléphonique et l'abonné, tout le reste du réseau téléphonique étant numérique. Par rapport aux autres normes, cette technologie diffère par le fait qu'elle encode numériquement les données du flux descendant au lieu de les moduler. Ce principe asymétrique conserve un maximum de 33.6 kbps, identique à celui de la norme V.34, pour le flux montant qui nécessite, en général, moins de bande passante. En fait, la
vitesse maximum ne peut jamais dépasser 54kbps et ceci dans des
conditions idéales! La pratique montre que 50 kbps semble être la
limite réelle et qu'il faut parfois volontairement limiter ce
maximum pour éviter des erreurs de transmission qui prennent du
temps de retransmission et font baisser le taux réel de transfert.
Un petit truc : Si la vitesse de
transfert semble lente, essayez de limiter le maximum négociable
(c'est dans la documentation du modem) à 44 kbps ou moins. La
qualité de la ligne a une influence importante à ces vitesses et si
le modem doit trop souvent faire des retransmissions pour cause
d'erreurs, il n'y a aucun avantage à utiliser une haute vitesse. On
réussira peut-être à échanger plus rapidement à une vitesse plus
faible. | |||||||||||||||||||||
Le
principe du V.90 | |||||||||||||||||||||
Le standard V.90 part du principe que le réseau téléphonique actuel est numérique et que seule une conversion D-A est faite dans le central à proximité de l'abonné par un DAC (Digital to Analog Converter). Seul ce dernier segment analogique est "sensible" aux perturbations car aucune conversion analogique-numérique n'est réalisée à l'émission du flux descendant. La conversion d'un signal analogique en numérique est faite par un ADC (Analog to Digital Converter) qui est sujet aux problèmes d'erreurs de conversion. Si le niveau analogique ne correspond pas exactement à un des 256 niveaux numériques, une approximation est faite sur le niveau le plus proche lors de la reconstitution du signal. Ceci restreint donc la quantité d'information qu'on peut transmettre. Avec une
connexion numérique directe, ce problème n'existe pas puisqu'il n'y
a plus de conversion analogique-numérique. C'est la clé du V.90! Le
modem numérique du serveur utilise directement les 256 niveaux de
signal qui sont envoyés sur le réseau téléphonique. C'est donc un
signal exact qui peut être reconstitué par le modem V.90 analogique,
sans aucune perte d'information.
Selon ce principe, il
n'est possible d'augmenter la vitesse que du flux descendant.
Pour le flux montant, puisque le signal est analogique, la
vitesse théorique maximale reste à 33.6 kbps.
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Les protocoles de signalisation V.8 et V.8bis | |||||||||||||||||||||
Ces protocoles sont des normes ITU-T qui permettent une reconnaissance des caractéristiques des modems aux deux extrémités de la connexion. C'est ainsi qu'il est possible de déterminer les vitesses de transfert des données pour le modem, ceci dans les deux sens (pour V.34 et V.90). C'est pour cela que l'on entend parfois de "drôles de bruits" lors de l'établissement de la connexion | |||||||||||||||||||||
La technologie ADSL | |||||||||||||||||||||
À l'heure actuelle, la plupart des applications, utilisant les services de transmissions numériques, sont asymétriques. La vidéo à la demande, le télé-achat, l'accès à Internet, l'accès à distance, l'accès à des réseaux locaux, les services multimédias requièrent tous de hauts débits dans le sens descendant (vers l'abonné), mais relativement peu dans l'autre sens. C'est l'idée maîtresse de ADSL : fournir le plus de bande passante possible pour le download. Toutefois, ADSL est plus que cela. | |||||||||||||||||||||
Caractéristiques | |||||||||||||||||||||
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Les caractéristiques
des largeurs de bandes asymétriques offertes par la technologie
ADSL
(64 - 640 Kbps upstream, 500 Kbps à 8 Mbits/s downstream) sont
conformes aux exigences des applications client-serveur (comme
l’accès WWW, l’accès à un LAN
éloigné et à la VOD
(Video On Demand)) qui, en principe, permettent au
client de recevoir du serveur bien plus de données que le client est
capable d’en générer. Une largeur de bande minimum de 64 - 640 Kbps
en amont garantit quand même une excellente performance bout à
bout. Ces caractéristiques
fondamentales se retrouvent dans deux avantages importants de la
technologie ADSL:
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Principes de fonctionnement de l’ADSL | |||||||||||||||||||||
L’idée maîtresse de l’ADSL est de partager la bande passante entre les trois fonctions principales de la ligne: le téléphone (POTS), le Upload (du client vers le serveur) et le Download (du serveur vers le client). Le POTS utilise les fréquences 300 à 4000 Hz. On lui réserve donc cette bande. Le Upload est en général moins important que le Download. On lui accorde donc une bande relativement étroite dans un spectre de longueurs d’ondes plus élevées que le POTS. Le Download étant généralement plus important, on lui attribue une bande large dans les plus hautes fréquences. Par la suite, en utilisant quelques artifices, on pourra atteindre 640 Kb/s pour le uploading et jusqu’à 8 Mb/s pour le downloading.
La technologie DMT est employée pour atteindre ces performances. Elle utilise des porteuses simultanées et multiples pour transférer les données. Un nombre variable de bits sont modulés sur chacune de ces porteuses. Ce nombre est fonction des caractéristiques effectives de la paire torsadée et du spectre de fréquences des signaux d’interférence. De cette façon, les débits transportés peuvent être optimisés. Ceci permet d’utiliser le même modem pour les boucles locales à caractéristiques différentes (niveau de bruit et distance).
Pour déterminer la capacité de chacun des canaux, on commence par émettre sur chacun afin de mesurer ses caractéristiques. Le premier exemple montre le cas d’un fil de téléphone standard (24 ga enroulé). Dans ce cas-ci, les basses fréquences sont éliminées ou on les utilisera à des débits moindres. Si la ligne est longue, des hautes fréquences seront éliminées. Dans le second exemple, vous avez une coupure au tiers du spectre qui pourrait être due à un équipement de commutation et une autre qui pourrait être due à un signal d’interférence radio (AM sur le graphique). Le troisième exemple montre un DMT typique d’un câble coaxial.
Spectre
DMT (FDM) - Paramètres ANSI | |||||||||||||||||||||
Brochages
standards | |||||||||||||||||||||
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Brochage du port parallèle/série
du PC (SUB-D 25) | |||||||||||||||||||||
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Remarque:
Le brochage présenté ici est celui du port imprimante classique. Les
nouveaux types de ports parallèles ne respecte pas forcement ce
tableau. | |||||||||||||||||||||
Brochage du
port série RS-232 (version 9 broches) | |||||||||||||||||||||
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Les
lignes de données. Elles font passer des caractères bit par
bit:
Les
lignes de contrôle de flux. Attention! Même si ces
lignes comportent toutes un "S" qui signifie Send, le
contrôle de flux reste toujours (surtout dans une communication
asynchrone) une logique de réception, c'est-à-dire que c'est la
faculté de réception du partenaire qui indique si oui ou non un
équipement va émettre.
Les
lignes d'intérêt. Ces lignes indiquent, au correspondant, que
l'équipement qui les met à "1" s'intéresse à la liaison RS-232.
Note:
Il existe des implémentations du contrôle de flux basés non pas sur
RTS/CTS mais sur DTR/DSR puisque leur signification littérale se
rapproche plus d'une signification de contrôle de flux que celle de
RTS/CTS. Le fait de faire passer temporairement l'une de ces lignes
à "0" constitue un break.
Autres
lignes d'état du modem:
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Réseau numérique à
intégration de services (RNIS)
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RNIS ou ISDN (Integrated Services Digital Network): Commutation de circuits sur des canaux B (64 Kbps) et un canal D commuté paquet (16 Kbps). Le RNIS est un réseau aux infrastructures flexibles dédié à l’intégration de voix, de données, de vidéo, d’images et d’autres applications. Il a été pensé pour remplacer les lignes téléphoniques analogiques actuelles. En réalité, RNIS est un ensemble de protocoles beaucoup plus de niveau lien que physique. Toutefois, l'installation d'un réseau RNIS demande des interfaces spécifiques au niveau physique. C'est pourquoi nous en parlons ici. RNIS bande étroite (Narrowband ISDN) permet l’intégration de services pour des débits de 56 Kbps à 2 Mbps alors que RNIS large bande (Broadhand ISDN) est basé sur des cellules évoluées de la technologie ATM pour des débits de 2 à 600 Mbps (voir plus loin). Le RNIS est une évolution du réseau téléphonique actuel. Il propose la continuité numérique de bout en bout. Ce n’est pas un réseau supplémentaire entrant en concurrence avec les réseaux existants comme le réseau téléphonique traditionnel, les réseaux X25 ou les liaisons spécialisées. C’est plutôt un accès universel à ces réseaux ou plus exactement à ces services supports. Le RNIS apparaissait, au début des années 1980, comme un moyen de communication rapide, normalisé, intelligent et souple:
Dans les
faits, sa popularité n’a jamais été celle pressentie et plus
particulièrement en Amérique du Nord. | |||||||||||||||||||||
Références électroniques | |||||||||||||||||||||
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Voici quelques liens intéressants. Les réseaux: Le matériel Modems: Fonctionnement, connexion et configuration d'un modem, RS-232: Connectors and Cabling: Fonctions des broches, câblage, connecteurs (DB25, DB9, DIN-8, RJ-45) Quick Reference for RS485, RS422, RS232 AND RS423 Les réseaux informatiques (voir la rubrique Supports) ADSL (1) ADSL (2) Questions de révisionP.1 Parmi les média suivants : STP, UTP, Câble coaxial et fibre optique, lequel est le plus susceptible d’occasionner du « crosstalk » ? P.2 Vous expédiez 512 octets sur un lien RS-232 à 9600 bauds. Combien cela prendra-t-il de temps ? P.3 Quel est le débit maximum qu'on peut transmettre sur une bande de 4KHz en utilisant 4 niveaux de voltage? P.4 Lorsqu'on configure un interface RS-232, on peut spécifier le nombre de «stop bits» désiré. Si l'émetteur utilise 2 stop bits alors que le récepteur ne s'attend qu'à un seul, les données seront-elles transférées correctement? Sur votre PC, qu'est qui correspond à la couche physique de l'ISO ? Comment s'y prend-on pour compenser l'atténuation d'un signal analogique ? Comment peut-on augmenter la capacité potentielle de transmission d'un réseau ? Quel est l'utilité du canal D dans ISDN ? Pourquoi un canal de type B dans ISDN est-il de 64kbs? Exercicesà venir | |||||||||||||||||||||
