Stratégies Télécoms & Multimédia

1 - Principaux types de modulation utilisés

Les signaux à transmettre (voix, données, image, etc.) sont portés, après codage, par la couche physique du modèle OSI, qui, en général, met en jeu des modems. Ceux-ci ont des caractéristiques qui doivent faire face aux difficultés posées par le milieu de propagation. Le choix des fréquences de travail dépend de considérations techniques. La gamme de fréquence retenue, la puissance des émetteurs et la sensibilité des récepteurs déterminent la portée sur le support utilisé. La propagation peut être soumise aux évanouissements (fadings) et à diverses perturbations. Les différents types de modulation des signaux à transmettre sont rappelés ci-dessous.

1.1 - Modulation à porteur unique

Ce procédé, appelé aussi SC (Single Carrier modulation), est aujourd’hui peu utilisé, à cause de sa complexité et de son prix de revient. En effet, il réclame une stabilisation de la fréquence porteuse par un pilote de référence et une bonne égalisation. Pour obtenir une bonne réception, il faut être en mesure de contrôler le rapport de la puissance du signal à celle de la puissance perturbatrice (appelée aussi bruit. Un montage électronique, appelé TPC (pour Transmitter Power Control) permet ce contrôle.

1.2 - PSK, QPSK et QAM

La modulation de phase (PSK ou Phase Shift Keying) ne change pas la fréquence de la porteuse. La phase de celle-ci est modifiée en fonction du signal à émettre. Pour la transmission numérique, les 0 et les 1 provoquent une variation de 180° de la phase de la porteuse. En réception, un détecteur de phase permet de retrouver sur la fréquence modulée le signal numérique émis. La modulation de phase en quadrature (QPSK) est basée sur des variations de phase de 90° de la porteuse. L’information binaire est composée de couples de bits appelés "dibits" (00, 01, 10, 11) correspondant aux quatre variations de phase possibles.



La QAM ou Modulation d’amplitude en quadrature résulte de la combinaison de deux fréquences porteuses sinusoïdales déphasées l’une de l’autre de 90° (d’où le nom de quadrature). Elle peut aussi être vue comme une modulation de phase et d’amplitude. Elle permet des débits élevés avec une rapidité de modulation (R) relativement faible. Le niveau de bruit étant constant, R est en effet divisé par la puissance de 2 du nombre de niveaux utilisés. Or, la largeur du canal en Hz est en fonction directe de R. La QAM est donc intéressante à chaque fois que le canal de transmission est étroit. La QAM-16 utilise 4 bits par symbole.

Pour la QAM à 64 points (QAM-64), chaque porteuse est modulée sur 8 niveaux d’amplitude (2 à la puissance 6). La rapidité de modulation R (en symboles par seconde) est divisée par 6. Les niveaux de ces deux porteuses permettent 64 combinaisons possibles au même instant, ce qui permet d’assigner 6 bits de données à chacune d’entre elles. La QAM-64 permet un débit nominal de 30 Mbit/s et de 27 Mbit/s utiles, mais elle n’autorise pas la mobilité, sauf si le nombre de canaux est restreint.

La QAM à 256 points (QAM-256) utilise une modulation à 16 niveaux de ses deux porteuses en quadrature. 8 bits sont transmis pour chacun des échelons ou symboles de modulation. La QAM-256 divise la rapidité de modulation R par 8 et permet un débit nominal utile de 43 Mbit/s et de 39 Mbit/s.

La QAM se prête facilement aux systèmes de détection et de protection contre les erreurs (codage en treillis, codage Reed Solomon, etc.) et est donc très appréciée pour la restitution de signaux numériques en milieu perturbé. La QAM a été choisie pour la distribution télévisuelle sur réseau câblé et pour la diffusion par satellite (voir DT 09).

La différence entre débit utile et débit nominal porte sur les nécessités du contrôle de ligne et du système de détection d’erreur. Ces deux dernières fonctions appartiennent à la couche 2 du modèle OSI. Les débits élevés de la QAM sont adaptés aux nouveaux câbles et les débits les plus faibles aux câbles qui présentent des imperfections. On remarque que l’augmentation du nombre de niveaux de codage accroît la largeur de bande de fréquences nécessaire à la transmission, mais n’apporte qu’une augmentation assez relative en débit. L’augmentation du nombre de niveau de codage comporte un risque en cas de perturbations, le récepteur pouvant éprouver des difficultés à effectuer la détection correcte des signaux transmis. La correction d’erreur (FEC) et l’égalisation de canal améliorent la qualité de réception de la QAM. L’égalisation de canal peut être effectuée au moyen d’une séquence d’essai (séquence d’apprentissage) ou en l’extrayant de l’information elle-même (blind equalization algorithms).

1.3 - CDMA (AMRC) et W-CDMA

L’accès multiple à répartition de code permet la transmission de signaux en dessous du niveau de bruit ambiant, le nombre de codes possibles déterminant le nombre d’utilisateurs et le débit global. L’accès multiple à répartition de code à séquence directe (DS-CDMA) offre une solution acceptable pour les débits moyens, mais les débits élevés augmentent la complexité des calculs.

La couche physique du Wide Band CDMA (accès multiple à répartition de code à large bande, ou W-CDMA) comprend le transport des canaux à débit variable et inclut des canaux pilotes (pour la modulation et la synchronisation) ainsi que des canaux d’acquisition (pour les connexions initiales). Le système W-CDMA utilise une répartition de code à modulation par séquence directe, les bits utiles étant répartis sur une bande de fréquence assez large et multipliés par une séquence pseudoaléatoire de bits de codage. Le W-CDMA permet des débits variables utilisant des largeurs de bande à la demande, l’allocation dynamique étant contrôlée par le réseau. Il ne nécessite pas de synchronisation des stations de base émettrices et réceptrices.

1.4 - OFDM

L’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est utilisée pour la transmission radioélectrique à haut débit dans des environnements à parcours multiples entre émetteur et récepteur. Elle permet d’augmenter la résistance aux brouillages des signaux transmis. Des obstacles à la propagation entraînent un allongement des temps de transmission, des interférences de signaux reçus, des évanouissements et de la distorsion de phase aléatoire. En OFDM, l’information est répartie en petits blocs de données qui sont chacun affectés à des porteurs orthogonaux. Les flux sont multiplexés séparément et transmis sur des fréquences porteuses différentes, espacées régulièrement de quelques kHz, et de sorte qu’elles se présentent de façon orthogonale (en IEEE802.11, 52 porteurs OFDM sont utilisés et en DVB-T, 6 817 porteuses), ces porteuses étant modulées à bas débit en QPSK ou en QAM (d’où le nom de COFDM). L’avantage du processus est de pouvoir récupérer l’information transmise même si plusieurs échos ont affecté la transmission radioélectrique. L’avantage de ce procédé est de pouvoir faire coexister dans des canaux adjacents, des émissions télévisuelles numériques à côté de programmes analogiques sans créer de perturbations.

Le schéma ci-dessous illustre les parcours subis par les copies multiples du signal, qui entraînent les dégradations.

L’OFDM avec entrelacement et codage, ne nécessite pas d’égalisation et l’emploi de la diversité de fréquences. Si le débit augmente, le nombre de porteuses et la largeur de bande sont accrus. L’OFDM élimine le besoin d’égalisation grâce à l’insertion d’un préfixe cyclique qui est la copie de la dernière partie du symbole précédent. Le débit utile de l’OFDM est constitué par la somme des débits de chacune des porteuses. L’OFDM peut être combinée avec l’AMRT (TDMA) ou l’AMRC (CDMA). Les meilleurs résultats en présence de bruits sont obtenus par la redondance (bien que complexe) apportée par la conjonction entre OFDM et AMRC. Toutefois, l’OFDM est sensible à la désynchronisation des porteuses d’émission et de réception. En raison de son efficacité, l’OFDM est utilisée dans de nombreux systèmes : pour l’accès radioélectrique fixe LMDS (ou boucle locale radio), le service DAB (Digital Audio Broadcasting), les réseaux locaux sans fil à 5 et à 11 GHz et le DVB-T en Europe, etc.

1.5 - DMT

La DMT (Discrete MultiTone) est dérivée de l’OFDM. Une application majeure de la modulation en code à multitonalité discrète est celle de l’ADSL.

2 - Codage de canal

< Il introduit de la redondance à l’information utile et permet la détection des erreurs éventuelles de la transmission.

3 - Synchronisation

L’horloge des signaux doit être synchrone et les porteuses OFDM doivent demeurer synchronisées.

4 - Adaptation des liaisons radios au débit

Les hauts débits par radio sont très sensibles au fading. En ce qui concerne le service vocal, le débit est fixe, alors que pour les données, le débit est souvent variable. Une modulation de type adaptatif convient donc mieux pour les hauts débits (par exemple, modem avec mode de repli et emploi d’un de détection d’erreur (FEC).

5 - Accès multiples et mode duplex

En transmission radioélectrique, les accès multiples AMRT et AMRC sont les plus employés, avec cependant certaines limitations. Pour économiser les ressources fréquentielles, certains systèmes utilisent des techniques de duplexage.

1) Time Division Duplexing (TDD) Un seul canal de fréquence est utilisé pour les deux sens de transmission. Le TDD est aussi utilisé pour la communication de point à multipoint. Il suppose de ménager un temps de garde pour changer le sens de l’exploitation de la transmission. Ce temps de garde dépend du temps total de transmission (round trip delay). Le TDD convient aux flux asymétriques à caractère non prédictible (par exemple, le trafic de données du système EV-DO, evolution data only).

2) Frequency Division Duplexing (FDD) Un canal de fréquence est réservé pour chacun des deux sens de transmission. Le FDD convient à la communication point à point, à flux symétrique à caractère prédictible (par exemple, le service vocal utilisé en EV-DV, evolution data and voice).

6 - Interférences

Pour réduire le risque d’interférences entre signaux utiles et les perturbateurs, il est possible d’utiliser le ou les procédés suivants : la diversité de fréquences (recours aux signaux à large bande, de type Spread Spectrum), les antennes intelligentes gérées par logiciel, la détection d’erreur (FEC, Forward Error Correction) ou la modulation OFDM. Deux méthodes d’étalement de spectre sont souvent utilisées :