Modems NE321/C7 Caracteristiques d`un lien

Plan
Modems
NE321/C7
1. caractéristiques d’un lien
2. transmission par modulation
3. transmission duplex
Christophe Deleuze
ESISAR/INPG – LCIS
4. compression et contrôles d’erreur
5. modems 56 k
mars 2005
Caractéristiques d’un lien
NE321/C7
Caractéristiques d’un lien
Le bruit
• bande passante : itv de fréquences transmises
• atténuation
✓ distortion d’atténuation (dépend de la fréquence)
✓ faiblesse du signal à l’arrivée
✓ “noyage” dans le bruit
• distortion de propagation (vitesse dépend de la fréq.)
• bruit
NE321/C7
1
• “blanc” (gaussien, thermique...)
✓ répartition uniforme en fréquence
✓ agitation des électrons dans cable et appareils
• impulsif
✓ parasites (gd. intensité, très court)
✓ sources externes (moteurs...)
• diaphonie (couplage inductif)
• rapport signal sur bruit
✓ caractérise la qualité de la ligne
✓ en décibels, rapport
puissance signal
S/BdB = 10 log10
puissance bruit
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NE321/C7
Définitions
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Capacité
bande passante plage de fréquences transmises (à atténuation
limitée)
symbole unité de modulation (ex 4 niveaux d’amplitude)
baud nombre de symboles par seconde
Théorème de Nyquist
capacité d’un canal sans bruit
un signal de fréquence H peut être reconstitué par
échantillonage à une fréquence ≥ 2H
ou : étant donné un canal de bande passante B, le plus grand
débit de symbole possible est 2B
débit (binaire) nombre de bits par seconde
si V symboles, débit max = 2B log2 V bit/s
Théorème de Shannon
capacité d’un canal bruité (bruit blanc)
C = B log2(1 + S/N )
NE321/C7
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NE321/C7
Sur une ligne RTC typique
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Transmission en bande de base
• BP = 3100 Hz (300–3400)
• Nyquist ➠ 6200 bauds (en pratique le plus souvent 2400)
transmission directe du signal numérique
spectre de fréquences large
• atténuation
• vitesse
dépendent de la fréquence
• S/B = 1000 = 30 dB (valeur typique)
• Shannon ➠ 31 kbps
utilisable uniquement avec
• débit faible
• distance courte
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NE321/C7
7
modulation d’une (ou plusieurs) caractéristique d’une porteuse
(signal sinusoı̈dal)
• amplitude (ASK amplitude shift keying )
• fréquence (FSK frequency shift keying )
• phase (PSK phase shift keying )
spectre de fréquence décalé autour de la porteuse
Modulation
Transmission par modulation
Modulation par saut d’amplitude
• valeurs représentées par différentes amplitudes de la porteuse
• en général, une est zéro
✓ i.e. présence/absence porteuse
• sensible au chgts de gain (perturbation)
• inefficace
✓ max 1200 bps sur lignes RTC
• utilisé sur fibres optiques
s(t) =
NE321/C7
8
• chgts phase de la porteuse
• la phase de l’origine est inconnue...
• PSK différentiel (DPSK)
✓ phase décalée/valeur précédente
s(t) =
A cos(2πf1t) bit 1
A cos(2πf2t) bit 0
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constellation : z = ρeiθ
• ρ module (amplitude)
• θ argument (phase)
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00
phase
10
A cos(2πfct + π) bit 1
A cos(2πfct)
bit 0
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Modulation combinée
amplitude
01
NE321/C7
Constellation
• ex : modulation de phase à
quatre valeurs (QPSK)
• 2 bits par symbole
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Modulation par saut de phase
• différentes fréq. (proches de la porteuse)
• moins sensible que ASK
• max 1200 bps sur RTC
✓ pas très efficace
• radio haute fréquence
s(t) =
A cos(2πfct) bit 1
0
bit 0
NE321/C7
Modulation par saut de fréquence
• ex. QAM 16
• modulation d’une porteuse
en phase et amplitude
• 16 points (4 bits par
symbole)
(quadrature amplitude
modulation : modulation
d’amplitude en quadrature =
modulation en amplitude de
deux porteuses déphasées de
π/2 – identique à ampl. +
phase sur une porteuse !)
11
12
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QAM64
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Modulation codée en treillis
TCM – Treillis Coded Modulation
bcp de points ➠ probabilité d’erreur augmente
• pour augmenter le débit...
• augmenter le nombre de
points
• mais sensibilité au bruit !
correction d’erreurs par code à convolution :
on augmente le nombre de points, mais les points valides à
tout moment dépendent des points précédents
• ex 6 bits/symbole à 2400
bauds ➠ 14,4 kbps
NE321/C7
ex V32 : 32 points 4+1 bits
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NE321/C7
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Transmission en duplex
Modems rapides
utilisent tous QAM et souvent
TCM
• ex QAM 128
✓ V32 bis 6+1 bits/symb.
➠ 14,4 kb/s
✓ V34 9 bits/symb.
à 3200 bauds
➠ 28,8 kb/s
✓ V34 bis ➠ 33,6 kb/s
• savent gérer plusieurs modes
➠ négociation
• compression
• reprise sur erreur
• ...
NE321/C7
Partage de la capacité
• temporel : half-duplex pb : temps d’inversion
• fréquentiel : porteuses séparées
✓ ex V21 FSK 980-1180/1650-1850 Hz
✓ V22 PSK (4 phases) 1200/2400 Hz
• partage asymétrique
✓ ex V23 (minitel)
✓ 75/1200 bps
✓ porteuses à 420 et 1700 Hz
✓ FSK ± 30 Hz et ± 400 Hz
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NE321/C7
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Problème : suppresseurs d’écho
Apparition des échos
passages 4 fils/2 fils par transformateur différentiel
• si système parfait, pas d’échos
• en pratique, écho local A’
• écho distant A”
A
transformateurs
différentiels
B
E
E
sur lignes longues distances (écho désagréable)
détectent voix dans un sens et coupent l’autre sens
R
R
A’
peuvent être désactivés par porteuse “pure” à 2100 Hz pendant
400 ms (signalisation “dans la bande”)
A’’
aujourd’hui disparus ?
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Annulation d’écho
circuit de traitement du signal
NE321/C7
Compression et contrôle d’erreurs
NE321/C7
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Contrôle d’erreur
TCM protège des erreurs isolées
calcule (prévoit) la valeur de l’écho et le soustrait au signal
reçu
➠ possible alors de superposer les 2 signaux (capacité complète
dans les deux sens de transmission)
• groupage en trames avec acquittements et retransmissions
✓ MNP1 à 4 (Microcom networking protocol)
✓ V42 (MNP4 + LAP-M)
☞ taille des trames fct du taux d’erreur
modem inclut alors une couche liaison...
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NE321/C7
Compression
Négociation
• MNP5
✓ env. 2:1
✓ fort “faux frais” si déjà compressé
• V42bis
✓ Lempel-Ziv (dictionnaire)
✓ 4:1 + détection déjà compressé
NE321/C7
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• fct des capacités des 2 modems
• qualité de la ligne
• ex V34 28,8 kbps
✓ 6 vitesses de modulation
✓ + encodages ➠ 60 combinaisons
✓ analyse préalable du S/B sur 150–3570 Hz
• mesure écho pour annulation
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NE321/C7
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Modems à 56k
Codage de la voix : MIC
Vue d’ensemble de la transmission
Modulation par impulsion et
codage
PCM pulse code modulation
pour résumer la situation
1. signal numérique
2. porteuse modulée par signal numérique
1. échantillonage à 8 kHz
3. données numériques échantillon de porteuse modulée par ...
2. quantification (bruit de)
• loi µ en europe, A aux ÉU
(pseudo-log)
PC
3. codage
• sur 8 bits en europe,
7 bits + signalisation aux
ÉU
NE321/C7
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CL
modem
1
réseau
téléphonique
numérique
boucle
locale
cable
série
2
boucle
locale
CL
3
cable
série
PC
modem
2
1
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Accès numérique côté serveur
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Modem V90
FAI ligne numérique ➠ SNR = 60 à 70 dB (➠ 70 kbps ?)
canal montant classique V34bis (33,6 kbps)
MAIS
• débit numérique à 64 kbps
• bruit de quantification ➠ 35 dB !
codage PCM sur voix descendante
• récepteur mesure amplitude ttes les 125 µs
✓ et décode (quantification)
• pbs
✓ loi logarithmique ➠ petites valeurs très proches ➠ 7 bits
✓ réglage du niveau
✓ synchronisation (fréq. et phase)
• possible 56 kbps (7bits × 8 kHz)
il n’y a pas de porteuse
PC
CL
modem
1
réseau
téléphonique
numérique
boucle
locale
cable
série
2
accès
numérique
3
NE321/C7
Internet
FAI
CL
3
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NE321/C7
Modem V92
Conclusion
idem V90 pour le canal descendant, +
• très grand nombre de standards ITU-T (Vxxx)
✓ pour RTC, mais aussi lignes spécialisées
✓ ou lignes “groupe primaire” (32 canaux voix)
✓ fixent les modulations, codages, connecteurs etc
• appareils complexes
✓ traitement signal
✓ protocoles, compression
✓ mesure ligne
• modems pour RTC ont atteint les limites
• nouvelle jeunesse pour ADSL, cable
• PCM upstream 48 kbps (en théorie...)
✓ magie noire ?
• modem on hold
✓ suspension transfert par signal d’appel
• quick connect
✓ négociation initiale ramenée à 30 s ...
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