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Communication Numérique Université de Tunis Cours Presenté par: Benzarti Faouzi

Communication Numérique Université de Tunis Cours Presenté par: Benzarti Faouzi MC à l’ENSIT Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Tunis ENSIT 2016/2017 3 Ing. ETA 2 Plan du cours Introduction Générale Quelques définitions utiles  Modulation à déplacement de fréquence FSK Modulation MSK, GMSK Modulation mono-porteuse Modulation tout ou rien OOK Modulation par déplacement de phase BPSK, QPSK Modulation par déplacement d’amplitude ASK Modulation quadrature QAM Modulation multi-porteuses OFDM (application: Wifi, DVB-S, DVB-TV, TNT) 3 Introduction générale • En 2ème année Ing, nous avons vu les techniques de modulation analogique mono-porteuse (AM, FM) qui concerne la transmission d’un signal analogique. • Dans ce semestre, nous allons voir les techniques de modulation qui concerne les données numériques (données binaires). On parle aussi de modulation numérique de la porteuse. • Les systèmes de transmission numérique véhiculent de l'information entre une source et un destinataire en utilisant un support physique comme le câble, la fibre optique ou encore, la propagation sur un canal radioélectrique. Transmission d’un signal en Bande de base La transmission est dite en bande de base si elle ne subit aucune transposition de fréquence par modulation.  Les fréquences initiales du signal émis sont donc préservées. Les signaux bande de base sont sujets à une atténuation dont l’importance dépend du support employé 4 La transmission en bande de base à des vitesses élevées et sur de grandes distances est pratiquement impossible : Pas de propagation pour les fréquences en dehors de la bande passante du support (ou canal); Pertes et affaiblissements du fait de la ligne ; Impossibilités de différencier plusieurs communications sur un même support ; Bruit, diaphonie… Ces raisons imposent la transformation des données numériques en un signal analogique adapté au support ou canal de transmission. 5 La tâche du système de transmission est donc d'acheminer l'information de la source vers le destinataire avec le plus de fiabilité possible. L'objectif principal de la modulation numérique est de compresser autant de données dans la moindre quantité de spectre possible. On parle d'efficacité spectrale qui mesure la rapidité des données transmises dans une largeur de bande attribuée (unité bits / s / Hz). Plusieurs techniques existent afin d’améliorer l'efficacité spectrale. 6 Le design des systèmes de transmission numérique est soumis aux contraintes suivantes :  Efficacité spectrale (accommoder les données dans une bande passante limitée) puissance minimum (transmettre les données avec le minimum de puissance) Coût (marketing, complexité technologique)  Suivant l’application, il faut trouver le compromis qui convient : Pour la transmission sur ligne téléphonique: c’est l efficacité spectrale qui est primordiale, pour la téléphonie mobile: c’est l’économie de puissance qui est la plus importante (alimentation sur pile)… 7 8 2. Quelques définitions Débit binaire : Db Nb bits /s, Db= fech N (N bits codage, ex: N=8 bits Durée d’un bit : Tb=1/Db Débit de symboles : Ds = Db/k unité Baud , avec k nb bits /symbole Ex : 01 -> 1, alors k = 2; 001 -> A, k = 3 … Bande passante théorique : Bpth = Ds en Hz Bande passante réelle : Bpr = Ds (1+α), avec α : facteur de roll off du filtre (i.e. pente) Efficacité spectrale : ξ = Db / Bande passante , unité bit/s/Hz T.E.B = Nb de bits faux/Nb de bits transmis Support physique de transmissions Les supports physiques de transmissions sont les éléments permettant de faire circuler les informations entre les équipements de transmission. On distingue: Les supports filaires permettent de faire circuler une grandeur électrique sur un câble (ex: ligne téléphonique). Les supports aériens désignent l'air ou le vide, ils permettent la circulation d'ondes électromagnétiques ou radioélectriques diverses (ex: Wifi, GSM) Les supports optiques permettent d'acheminer des informations sous forme lumineuse (ex: fibre optique) 9 Bande Passante La bande passante (bandwidth) d'une voie de transmission est l'intervalle de fréquence sur lequel le signal ne subit pas un affaiblissement supérieur à une certaine valeur. Une ligne de téléphone a par exemple une bande passante comprise entre 300 et 3400 Hertz environ pour un taux d'affaiblissement égal à 3 dB. 10 Capacité d’une voie de transmission La capacité d'une voie est la quantité d'informations (en bits) pouvant être transmis sur la voie en 1 seconde. Débit maximale (théorème de Shannon) : Dbmax= W log2 (1 + S/N) Dbmax : capacité (en bps) W: la largeur de bande (en Hz) S/N: représente le rapport signal sur bruit de la voie (en dB). 11 Chaine de transmission 12 Source Codage Source Codage Canal Modulation Destination Décodage Source Décodage Canal Démodulation Canal Transmission en bande de base Si la Bande de Base du signal à transmettre se situent dans la bande passante de la ligne, il sera appliquer directement à l'entrée de la ligne. Sans atténuation éventuelle. 13 Codage en ligne 14 Codage Source 10111001010 Codage Canal ou Codage en ligne  Le codage en ligne consiste à représenter les 1 et les 0 d'un signal numérique sous la forme de variations de la tension ou du courant. Les types de codage en ligne les plus utilisés sont :NRZ, NRZI, RZ, AMI, Manchester. Codage NRZ, +V ->1 ; -V -> 0 Codage NRZI ; transition du signal pour 1, 0 pas de chang 15 Codage Manchester 0 logique transition du niveau bas vers le niveau haut 1 logique transition du niveau haut vers le niveau bas 16 Codage RZ 0 logique -> -V sur T/2 et retour à 0 1 logique -> +V sur T/2 et retour à 0 17 Codage Alternate Mark Inversion (AMI) 0 logique -> zero volt 1 logique -> +A, -A alternée 18 Suite AMI-RZ ou Bipolaire-RZ 19 Répartition spectrale Cas d’un code NRZ La bande passante B = 1/Tm Puissance repartie en basse fréquence (composante continue existe sauf le cas d’une équirepartition). La DSP : module au carré de la TF du signal: Dans le cas d’un signal équiréparti (+A,-A): 20 Cas d’un code Manchester Pas de composante continue Bande passante B = 2/Tm La DSP : 21 Simulation du codage en ligne avec Matlab Simulink 22 Transmission par modulation Si La bande de base du signal se trouvent en dehors de la bande passante de la ligne, il faut passer par un processus de modulation. Transposition de la bande de base 23 Toutes les techniques de modulation numérique reposent sur la modulation d’une porteuse analogique par un signal binaire. On peut résumer les différentes techniques de modulation par : V(t) = A sin(2πf t +φ) ASK FSK PSK QAM 24 25 Chap 1: Modulation FSK La modulation Frequency Shift Keying (FSK) consiste à moduler la porteuse par 2 fréquences : lorsque la valeur binaire est 0 logique, on envoie une fréquence fs (space frequency), lorsque la valeur binaire est 1, on envoie la fréquence fm (Mark frequency) Ts : durée de symbole Spectre FSK Le spectre FSK est constitué de 2 raies : l’une à fs (f_space) et l’autre à fm(f_mark). La largeur des raies dépend de la durée des symboles Ts. Le sinus cardinal provient de la réponse en fréquence d’un train d’impulsions binaires (convolution fréquentielle) 26 On a intérêt à rapprocher les 2 raies d’une façon optimale pour diminuer la bande passante La bande passante minimale théorique : Bpmin=(fH+fb) – (fL-fb) Bpmin= fH – fL + 2fb ; (fb=1/Ts) Bpmin= 2∆f + 2fb=2(∆f+fb) (eq. Formule de Carson en FM) Fc =(FH+FL)/2 : fréquence centrale Indice de modulation = ∆f/fb 27 Modulateur FSK Le plus simple est de disposer de 2 oscillateurs que l’on commute au rythme du signal binaire (signal modulant). L’inconvénient : les discontinuités de la porteuse aux instants du changement de fréquence On préfère utiliser un modulateur MSK (Minimum Shift Keying) 28 10101011001 Démodulateur FSK On peut utiliser 2 filtres passe-bandes suivis de 2 détecteurs de crête. A la sortie, le comparateur décide laquelle des tensions crêtes est la plus importante. Si l’amplitude associée à la fréquence fs est la plus grande, alors c’est un 0 logique 29 Démodulateur à PLL On peut également utiliser un PLL, qui permet de reproduire les fréquences fs et fm conduisant au binaire 30 Simulation sur Matlab Fsep= 8Mhz – 2Mhz = 6 Mhz 31 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 -6 -0.5 0 0.5 1 1.5 am plitude(volt) tim e(sec) transm itting inform ation as digital signal 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 -6 -5 0 5 tim e(sec) amplitude(volt) w av ef orm f or binary FSK m odulation coresponding binary inf ormation 0 1 2 3 4 5 6 7 x 10 -6 -0.5 0 0.5 1 1.5 am plitude(volt) tim e(sec) reciv ed inf orm ation as digital signal af ter binary FSK dem odulation Simulation sur Matlab  x= randi([0 1],1,8) % séquence aléatoire  x =[1 1 0 1 0 0 0 1 0 1…] ;% crée une séquence binaire  m=[ ]; initialisation d’un vecteur vide  for (i=1:1:length(x))  if (x(i)==1)  y=A*cos(2*pi*f1*t2);  else  y=A*cos(2*pi*f2*t2);  end  m=[m y]; % Accumulation dans le vecteur m  uploads/Philosophie/ cours-2-communication-num-2016.pdf