La couche physique

30 avril 2012 rdorigny 0 commentaires

Ce chapitre va traiter de l'épineux problème: Comment transmettre l'information?
Il s'agit d'étudier des moyens de représentations du signal et des procédés de transmissions de données. Ce chapitre est un peu à la marge, beaucoup de principes mis en oeuvre viennent des études faites autour des télécommunications.


La première couche a pour but de conduire les éléments binaires.

On distingue 2 niveaux :
  • Codage : Coder et décoder les signaux représentants les bits d'informations.
  • Transport : Par des moyens mécaniques ou électriques pour l'activation, le maintien et la désactivation des connexions physiques destinées à la transmission des éléments binaires entre entités de liaison.



  • Modem ADSL

    1) Le codage

    1.1)L'information et le code

    L'informatique est le traitement de l'information. Mais qu'est ce que l'information?

    On la distingue sous différente forme:
  • Numérique: Suite d'éléments binaires issue d'un traitement numérique. Cette suite composée de 0 et 1 forme des symboles, ces symboles appartiennent à un alphabet.
  • Analogique: le signal analogique est la représentation d'un phénomène physique (son, vidéo, pression, ...).


  • Coder consiste à faire correspondre les éléments binaires à un alphabet composée de symboles, ou plutôt à un code composée de caractères.

    Les codes les plus connus:
  • ASCII: (American Standard Code for Information Interchange), dans ce code les 128 caractères sont composées de 7 bits.
  • EASCII: (Extended American Standard Code for Information Interchange) est une extension du code ASCII qui n'était plus suffisant, chaque caractère est codé sur 8 bits ce qui permet un alphabet de 256 caractéres plus complet.
  • Unicode: code universel normalisé ISO en 16 bits.
  • 1.2) La numérisation

    Bon nombre des informations qui nous entourent, ont une représentation physique sous forme d'un signal analogique. Ce signal s'obtient à l'aide d'un capteur.

    Capture du signal analogique

    Le traitement informatique l'information analogique nécessite une numérisation,c'est à dire une conversion analogique -> numérique. On distingue 3 étapes dans la numérisation :
  • Échantillonnage: cette étape consiste à considérer le signal à intervalle de temps régulier.
  • Quantification:Il s'agit de quantifier chaque échantillon, c'est de déterminer l'amplitude du signal.
  • Codage: la valeur estimée est alors convertit en élément binaire.

  • Les 3 étapes de la numérisation


    La numérisation se fait à l'aide de convertisseurs CAN (Convertisseur Analogique Numérique), dont le schéma de principe est ci-dessous.


    Le filtre passe-bas récupère le signal jusqu'à Fmax, la fréquence maximal du signal.
    D'aprés, le théoréme de Shannon Fe>=2Fmax (Fe: Fréquence d’échantillonnage, Fmax du signal). Le respect de ce théorème permet de conserver une bonne qualité de numérisation.


    L'analyse spectral ci-dessus, montre que si le théorème de Shannon n'est pas respecté, c'est à dire que la fréquence d'échantillonnage n'est pas assez élevée, il y a risque recouvrement spectral et donc distorsion du signal numérisé.

    1.3) Les codes

    En transmission en bande de base, on effectue généralement un codage en ligne, il s'agit du transcodage. Le transcodage consiste à remplacer les éléments binaires par un autre.
    Les données sont codées selon un codage qui varie selon le support. Le signal pour la transmission large bande est souvent codés car plus sensible aux perturbations électromagnétiques.
    Pourquoi coder?
    Le code permet une meilleure résistance aux perturbations (bruit). Tout d'abord, afin de ne pas consommer trop d'énergie, il faut tendre vers une composante continue nulle. En suite pour ne pas pas perdre la synchronisation, on rajoute des transitions(code Manchester).
    Les principaux codes historiques

    2) La transmission

    2.1) Notions

    La transmission se fait entre 2 entités distinctes, l'émetteur et le récepteur.

    Les éléments de transmission sont:
  • DTE: Data Terminal Equipement (ou ETTD:Equipement Terminal de Traitement de Données) qui représente un équipement terminal dans une chaine de liaison,
  • DCE: Data Communication Equipement (ou ETCD:Equipement Terminal de Circuit de Données) qui sont chargés de transmettre le signal à bon port. Il modifie la nature du signal pour s'adapter au support de transmission (transceiver, modem, routeur, etc), grâce aux techniques de transmission (codage, modulation, etc)
  • support: ligne de transmission.


  • Une chaîne de transmission se compose comme indiqué sur le schéma ci-dessous:


    Une transmission se caractérise par son sens de transmission :
  • Simplex: l'échange se fait en sens unique, il est utilisé par les imprimantes, souris et claviers,
  • Half-duplex: l'échange se fait en sens par alternance, la bande passante est partagée entre les 2 entités, il est utilisé en bande de base comme par exemple le protocole ethernet 100BT
  • Full-duplex: l'échange se fait en double sens simultanément par le moyen d'une modulation.


  • On distingue :
  • la transmission parallèle pour un transfert simultanée des données par l'intermédiaire de bus. Ce mode est performant mais très coûteux en support, il n'est donc pas applicable pour de longue distance. On ne le trouvera pas dans le monde des réseaux.
  • la transmission série est le mode courant en réseau, les bits sont transmis successivement sur le même support.
  • 2.2) Modulation

    La transmission Bande de base est sans modulation, le signal est donc émis directement sans modification significatif de fréquence. Un code peut être appliqué au signal. Le problème de cette transmission est que l'on peut pas émettre et recevoir en même temps, par alternat ou half-duplex.

    La transmission Large bande permet l'émission et la réception simultanée, ou mode full-duplex. Le signal est modulé avant la transmission, par exemple, sur plusieurs fréquences qui sont filtrées et démodulées à l'arrivée.


    Exemple : Modulation de fréquence

    2.2) Synchronisation

    Afin que l'émetteur et le récepteur travaille en harmonie, une synchronisation des transmissions est nécessaire. Il faut pour cela que les horloges d'émission et de réception soit calées si on ne veut pas perdre de données. La dérive entraîne la perte de la synchronisation aussi l'horloge doit être régulièrement réajustée. Généralement c'est l’émetteur qui donne l'horloge et le récepteur fonctionne avec la même fréquence. Dans le monde des réseaux, le signal de synchronisation ne peut être transmis sur une liaison spécifique, il existe donc des principes de synchronisations automatiques par écoute des transmissions émettrices.



    Il existe 2 modes de synchronisation : synchrone et asynchrone.

    2.2.1) Transmission asynchrone Les horloges sont indépendantes. Un calage des horloges est donc nécessaire, il se fait au préalable de la transmission par le bit de start et au final par le bit de stop. Dans l'exemple du schéma ci dessous, la transition du niveau repos 0 au niveau 1 déclenche la synchronisation des 2 horloges. Cette transmission ce fait sur des périodes courtes prédéfinies, entre 2 émissions le signal est au repos. Le repos est environ d'une à 2 périodes d'horloge. Les protocoles asynchrones sont par exemple PPP(Protocol Point to Point), SLIP (Serial Line Internet Protocol), X-Modem.


    Généralement le mode asynchrone transmet octet par octet, il faut donc 10 bits transmis pour 8 de données.

    2.2.2) Transmission synchrone Les horloges travaillent continuellement en phase. Cela se fait par la transmission de l'horloge entre chaque bloc de données.

    On utilise :
  • un préambule, qui est une suite binaire permettant le calage des horloges ,
  • un drapeau ou fanion, (combinaison de bits) pour signaler le début de la transmission et également le recalage de horloge réceptrice.


  • Les protocoles synchrones sont par exemple BSC (Binary Synchronous Communication), PPP (Point to Point Protocol) ou le HDLC (High Level Data Link). La transmission BSC utilise le caractère SYN (0010110) du code ASCII pour drapeau.

    La norme ISO 802.3 définissant le protocole Ethernet précise que le préambule est constitué de 7 octets (0x55 ou 01010101) et un octet pour le drapeau (soit la suite binaire 0101010111 ou 0xAB). Le fanion de HDLC est 01111110 ou 0x7E.

    Mais si le fanion se trouve dans les données à émettre, ... ?
    Il existe plusieurs méthodes pour résoudre ce problème:
  • Par balisage: On utilise un caractère de balisage avant la suite binaire correspondant à celle du drapeau dans le flux de données. En règle générale, la balise utilisée est le caractère d'échappement.
  • Par bit de bourrage: Cette technique s'applique pour un fanion 0x7E, c'est à dire 01111110. Il s'agit d'ajouter un bit 0 tout les 5 bits à 1 consécutifs dans le flux de données. Ainsi, seul le fanion ne présentera une suite de plus de 5 bits à 1, et sera facile à détecter.
  • Par codage: Les réseaux de type FastEthernet 100BaseTX (sur 2 paires) et FDDI utilisent ce codage 4B/5B qui permet un traitement plus rapide, que les 2 solutions précédentes, car il n'introduit pas de modification aléatoire dans la taille de la trame.
  • 3) Techniques de transmission

    Les différents mécanismes de transmission utilisé dans le monde des réseaux informatiques se divise en 2 grandes familles, la transmission en bande de base et la transmission large bande.

    La transmission en bande de base consiste à transférer le signal directement aprés l'application d'un codage simple. Ce mode a pour objectifs:

  • de rester simple, donc peu coûteux, ne nécessitant pas de mécanismes complexes de traitement du signal ou quelques caractéristiques particulières du support,
  • performante, car utilisée principalement dans les réseaux locaux où la fréquence de transfert est importante.
  • Le signal dans ce mode subit une atténuation plus ou moins forte selon le conducteur (100m pour l'ethernet cuivre 100bT) et doit être régénéré, par l'intermédiaire de répéteur, sur de grande distance.

    Le mode large bande est employé principalement pour des transferts longues distances. La technique de la modulation permet de diminuer l'atténuation du support sur le signal, et de translater le spectre du signal, on parle de canal de transmission. On utilise la modulation pour une transmission full-duplex sur 2 canaux différents (1 canal pour émettre et 1 canal pour recevoir).

    3.1) Techniques utilisées avec la transmission en bande de base

    3.1.1) Les codes

    Le signal binaire est une suite de 0 et de 1. Si on observe ce signal, la composante continue est forte et implique beaucoup de puissance électrique à dépenser. Une étude spectrale du signal binaire de base montre que la majorité du spectre se trouve en basse fréquence, or les basses fréquences sont difficiles à transmettre.
    En bande de base, il n'y a pas de modulation par définition, il est donc nécessaire de travailler le signal de base binaire par un codage pour améliorer les performances de transmissions et diminuer la consommation électrique. En outre, le codage pourra faciliter les mécanismes de synchronisations des horloges entre l'émetteur et le récepteur.


    NRZ : No Return to Zero

    Le NRZ propose un 0 à -V et le 1 à +V, on diminue ainsi la composante continue. L'analyse spectrale montre néanmoins que la majorité du signal se situe en basse fréquence. De plus si le signal reste stationnaire, la composante continue augmente sensiblement.


    Code NRZ


    NRZI : No Return to Zero inverted

    Le code NRZI est une variante du NRZ. Mais attention son nom est trompeur, il ne s'agit pas du code NRZ inversé. Pour un 1 le signal reste constant, et pour un 0 le signal est inversé en milieu de période d'horloge.


    Code NRZI


    Utilisation: Le codage NRZI est utilisé pour le FDDI, fast ethernet 100baseFX et l'USB.

    Manchester ou Biphasé :

    Le code Manchester, appelé aussi Biphasé, propose une transition au milieu de chaque temps d'horloge ce qui augmente par deux la fréquence du signal et permet ainsi de décaler le spectre. On parle de front montant pour un 0 et de front descendant pour un. L'augmentation des transitions facilite le mécanisme de synchronisation des horloges réceptrice et émettrice. Dans le cas d'une confusion dans le câblage, le signal sera inversé mais le code sera cohérent, il s'agit donc de faire attention à ne pas se tromper.

    Le code Manchester différentiel prend en compte la problématique de l'inversion de fils. Les fronts sont codés en tenant compte du signal précédent. Pour un 0, le front conserve le même sens que le précédent, et pour un 1 le sens du front est inversé.

    Le code Manchester possède un inconvénient, la largeur de bande passante nécessaire a augmenté par rapport aux codes précédents et la fréquence du signal signal transmis est double. Cette remarque explique que ce code n'est pas utilisée pour des transmissions à hautes fréquences tel que le gigabit, en effet les capacités des câblages ne supportent ces fréquences. Le phénomène de para diaphonie perturbe les transmissions fortement dans ces gammes de fréquences. On notera ici que la transmission en bande de base sur des supports adaptés est plus performante que la transmissions en large bande, et ne nécessite pas de mécanisme complexe de transmission ou des caractéristiques particulières du support comme la bande passante.


    Code Manchester et Manchester différentiel


    Utilisation: Le codage Manchester est utilisé pour les transmission Ethernet 10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseFL. Le code Manchester différentiel est employé pour le Token ring.


    Miller :

    Le code Miller, appelé aussi Delay Mode, reprend les principes du codage Manchester. Un 1 est représenté par un front, descendant ou montant au milieu de la période d'horloge. Pour un 0, il n'y a pas de front. Et à partir de deux 0, le signal permute à chaque au début de la période, ceci afin de ne pas avoir de signal continu.
    Ce code conserve néanmoins une composante continue importante.


    Le code Miller


    Bipolaire :

    Le code bipolaire, aussi appelé AMI (Alternate Mark Inversion), améliore le réduction du spectre. Le 0 reste à zéro et le 1 passe alternativement de +V à -V. Ce code présente peu de front ce qui ne favorise pas les synchronisations.


    Le code bipolaire

    Utilisation: Ce code est utilisé pour le DSL et T1.

    MLT3 : Multi Level Transmission à 3 états

    Le code MLT3, reprend le code bipolaire sur 3 niveaux. Pour un zéro le signal reste constant, et pour un 1 le signal oscille successivement entre +V, 0 et -V. Comme avec le codage bipolaire, pour une longue séquence de 0 le signal risque de se désynchroniser.


    Le code MLT3

    Utilisation: Ce code est employée pour le Fast Ethernet (100BaseTX, 100BaseT4) et l'ATM,

    HDBn : Haute Densité Binaire d'ordre n

    Le code HDBn, où BnZs (Bipolar with n Zero Substitution), est une variante du code bipolaire. Il apporte une solution au problème de l'absence transition pour une longue suite de signal binaire identique.
    Le code de base est donc le bipolaire, mais à partir du n+1 zéro successifs, un bit de viol remplace le zéro par un 1. Ce bit est la dans la même phase que le dernier 1 afin de pouvoir le distinguer. Cependant, les bits de viols doivent être alternativement positif puis négatif, aussi un bit de viol peut se trouver ne plus être dans la même phase qu'un 1 et donc confondu avec un 1. Un bit de bourrage est ajouté en début de séquence afin de rétablir la phase du bit de viol.
    Par exemple pour le HDB3: 0000-->000V ou B00V


    Le code HDB3


    nB/mB :

    Le code nBmB subtitue un bloc de n bits par un bloc m bits. Or n < m, donc il existe 2exp(m) combinaisons contre 2exp(n), donc plus de combinaisons. Cette constatation est intéressante car elle permet de choisir les combinaisons qui permettent de supprimer la composante continue, de favoriser la synchronisation et de permettre l'autocorrection.

    Exemple: 4B/5B
    Les choix des éléments de ce code sont de ne pas avoir plus de 1 zéro en début et 2 zéros en fin séquence. Ainsi ce code ne permet pas plus de 3 bits à 0 successifs, ce qui est propice pour diminuer la composante continue.


    Hexadécimal

    Binaire

    4B/5B

    Hexadécimal

    Binaire

    4B/5B

    0
    0000
    11110
    8
    1000
    10010
    1
    0001
    01001
    9
    10011
    10010
    2
    0010
    10100
    A
    1010
    10110
    3
    0011
    10101
    B
    1011
    10111
    4
    0100
    01010
    C
    1100
    11010
    5
    0101
    01011
    D
    1101
    11011
    6
    0110
    01110
    E
    1110
    11100
    7
    0111
    01111
    F
    1111
    11101

    Utilisation: Le 4B/5B est employée pour le pré-codage du fast ethernet et le 8B/10B pour le gigabit ethernet.

    3.1.2) Implémentation du codage : exemple d'ethernet (10baseT, 100baseTx et 100baseFx)
    Comment est employé le codage avec le réseaux ethernet?
  • Le 10baseT utilise le code Manchester qui favorise la synchronisation des horloges. Cependant, un débit de 10 Mbit/s donne une fréquence du signal codé transmise à 10Mhz. Donc une transmission à haut-débit, comme 1Gbs, est difficile avec un câble cuivre classique.
  • La norme du fastethernet 100baseTx préconise un précodage 4B/5B, puis un codage MLT3. L'effet sur la fréquence transmise est spectaculaire, le précodage augmente la fréquence à 125Mhz pour 100 Mbit/s, mais avec le codage MLT3 la fréquence du signal final est de 31,25Mhz.
  • La norme 100baseFx utilise un précodage 4B/5B puis un codage NRZI, la fréquence du signal transmis est alors de 62.5Mhz.

  • La méthode des transmissions à hauts débits pour ethernet est donc d'appliquer un précodage puis un codage, ce afin de diminuer la fréquence du signal transmise pour s'adapter à la bande passante du support.


    Exemple de codage pour ethernet 10baseT et 100baseTX

    3.2) Techniques utilisées avec la transmission en large bande

    3.2.1) La modulation
    La transmission large bande est une technique simple, qui est performante et dont le codage permet une bonne adaptation de la fréquence du signal avec la bande passante du support.

    Mais la transmission en bande de base à ses limites:
  • Atténuation du signal forte sur de longues distances, nécessite une régénération par des répéteurs,
  • Les supports ont un spectre comparable à un filtre passe bas. Aussi, si on augmente suffisamment la fréquence du signal, les fortes discontinuités du signal en mode de base font que les variations de fréquences instantanées dépassent la fréquence de coupure du spectre type passe bas. Ceci provoque une distorsion du signal numérique, et son étalement, on parle de dégradation du signal impulsionnel,
  • La transmission en bande de base ne permet pas sur un même support la transmission Full-duplex.
  • Le signal sinusoïdal ne présente pas de discontinuité aussi forte que le signal codé en bande de base, et donc il subit moins facilement la dégradation du signal impulsionnel. Fort de cette constatation, on introduit sur le signal numérique un signal sinusoïdal.

    C'est à dire?
    La modulation se fait à l'aide d'une porteuse qui "module" le signal: p(t)=Asin(wt+ß)
    La porteuse se distingue par son amplitude, sa fréquence et sa phase. Le principe de la modulation est d'appliquer sur une des composantes de la porteuse le signal s(t) à transmettre.

    Il y a donc 3 types de modulations:
  • La modulation d'amplitude, ASK (Amplitude Shift Keying), p(t)=As(t)sin(wt+ß)
  • La modulation de fréquence, FSK (Fréquence Shift Keying), p(t)=Asin(s(t)wt+ß)
  • La modulation de phase, PSK (Phase Shift Keying), p(t)=Asin(wt+ßs(t))

  • 3.2.2) La modulation d'amplitude
    La modulation d'amplitude est de la forme p(t)=As(t)sin(w0t+ß) avec s(t) le signal numérique à transmettre.
    On observe sur le schéma ci-dessous que l’enveloppe du signal modulé p(t) représente le signal modulant s(t). L'analyse spectral montre que la modulation par porteuse effectue une translation du spectre de s(t) autour de la fréquence f0=2πw0.
    Le décalage du spectre par porteuse est trés largement utilisée par les systèmes larges bandes. Ce décalage permet notamment les transmissions full-duplex, on parle alors d'un canal d'émission et d'un canal de réception.

    La modulation d'amplitude supporte mal les parasites, ce qui explique qu'elle est trés peu utilisée seule. Cette modulation, lorsqu'elle est employée, est mélangée avec un autre type de modulation.

    3.2.3) La modulation de fréquence
    La modulation de fréquence consiste à appliquer le signal numérique s(t) à la fréquence de la porteuse p(t)=Asin(s(t)wt+ß).
    Pour ce type de modulation, on associe généralement 2 fréquences en réception (f0 pour un 0, f1 pour un 1) et en émission (f'0 pour un 0, f'1 pour un 1). On peut aussi associer des suites binaires à des fréquences (f0 pour 00, f1 pour 01, ...). Pour démoduler ce signal, il suffit alors d'utiliser des filtres passe-bande pour isoler le signal.

    La modulation de fréquence présente l'avantage d'être trés peu sensibles au bruit. Mais sa vitesse de transmission est faible, elle n'est pas adaptée pour des transferts rapides modernes.

    3.2.4) La modulation de phase La modulation de phase est de la forme p(t)=Asin(wt+ßs(t)), le principe de cette modulation est d'associer une valeur de phase à un code binaire. Pour la DPSK (Differential Phase Shift Keying), la variation de phase n'est pas fixe, mais la variation se fait simplement par rapport à l'état précédent.

    3.2.5) La modulation de phase et d'amplitude
    La modulation de phase est performante en vitesse de transmission, et pour améliorer encore cette vitesse on peut mélanger 2 types de modulation, la modulation de phase et la modulation d'amplitude. En combinant ainsi, le diagramme spatial propose de nombreuses solutions que l'on associe à des codes binaires de 2-3-4 bits accélérant ainsi le taux de transfert. Plus la répartition spatiale est bonne et meilleure sera l'immunité au bruit.

    Pour cette modulation, on distingue 2 codages utilisés:
  • QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou MAQ (Modulation d'Amplitude en Quadrature): le code QAM 16 permet de coder 4 éléments binaires pour chaque période d'horloge
  • TCM (Trellis Coded Modulation): dans la modulation en treillis, un algorithme complexe permet le calcul de l'état suivant qui dépend des états précédents.




  • 3.2.6) Modem
    On dit modem pour modulation-démodulation car il est capable de moduler et démoduler le signal. Un modem est dit full-duplex lorsqu'il peut émettre et recevoir simultanément. Le support est généralement l'arrivée téléphonique RTC, ou une liaison spécialisée LS (2 ou 4 fils)Historiquement, les standards de transmissions ont évolué par les normes de l'UIT-T, le tableau ci-dessous rapelle leurs différentes caractéristiques:

    Norme

    Débit maximal

    Emploi

    Mode de transmission

    sens

    modulation

    Support

    V17
    14000
    TCM
    V21
    300
    Data
    synchrone/asynchrone
    Full duplex
    FSK
    RTC, LS
    V22 et V22bis
    2400
    Data
    synchrone/asynchrone
    Full duplex
    PSK(sur 2 bits/4 états
    ou MAQ16
    RTC, LS
    V23
    1200
    Data - Minitel
    synchrone/asynchrone
    Half/Full duplex
    FSK 2 états
    RTC, LS
    V27
    4800
    Fax
    synchrone
    Full duplex
    PSK 3 bits/8 états
    RTC, LS
    V29
    9600
    Fax
    synchrone
    Full duplex
    MAQ16
    LS 4 fils
    V32
    9600
    Data
    synchrone/asynchrone
    Full duplex
    MAQ ou TCM
    RTC, LS
    V32 bis
    14400
    Data
    synchrone/asynchrone
    Full duplex
    TCM 6 bits
    V33
    19200
    Data
    synchrone
    Full duplex
    MAQ
    LS 4 fils
    V34
    28800
    Data
    synchrone
    Half/Full duplex
    TCM 9 bits
    LS
    V34 bis
    33600
    Data
    synchrone
    Half/Full duplex
    TCM/QAM
    LS
    V90 V92
    56000
    Data
    Half/Full duplex
    TCM
    RTC


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