Transmissions et Liaisons de Données Généralités

1. Transmissions et Liaisons de DonnéesGénéralités Création 1998 Bernard Tuy (UREC) Modification 1999 Jean-Paul Gautier (UREC),Vincent Roca (LIP6) 2000-2001 Christian Hascoët (CCR)

2. Plan • Historique • Éléments formels de transport de l’information • Type de liaisons, Méthode d'échange • Synchronisation des transmissions • Généralités et définitions de base • Types de signaux et Types de données (Numériques, Analogiques) • Codage des signaux • Modulation et Multiplexage des signaux • Numérisation d’un signal - Compression de données • Un exemple de liaison de données normalisée HDLC ARS 00/01

3. Historique • 1865 : Télégraphe (S.B. Morse) • 1876 : Téléphone (Bell) • 1930 : Télévision (principes) • 1963 : Télex, liaisons spécialisées bas débit • 1964 : Transmission de données sur RTC • 1969 : Internet • 1970 : Réseaux locaux • 1977 : Transmic (LS Transfix 2.4kb/s à 2Mb/s) • 1978 : Transpac (réseau de paquets X25 2.4kb/s à 2Mb/s) • 1988 : RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Services) (ISDN) • 1995 : ATM (Asynchronous Transfert Mode) • 2000 : DWDM (Dense Wavelengh Division Multiplexing) ARS 00/01

4. ETTD Éléments de transport de l ’informationÉquipements voisins Ordinateur ou terminal Ordinateur ou terminal ETTD Canal de transmission • Canal de Transmission : coaxial, paires torsadées, FO … • ETTD Équipement Terminal de Transmission de Données (CCITT) • DTE Data Terminal Equipment (EIA) ARS 00/01

5. Éléments de transport de l ’informationÉquipements distants Circuit de Données ETTD ETTD Canal de transmission Modem Modem ETCD ETCD • ETCDÉquipement Terminal de Circuit de Données • DCE Data Communication Equipment • Modem Modulateur / Démodulateur • Canal de Transmission : Ligne téléphonique ARS 00/01

6. Éléments de transport de l ’information Liaison de Données Circuit de Données • Canal de Transmission : coaxial, paires torsadées, FO, RTC … • ETTDÉquipement Terminal de Transmission de Données • ETCDÉquipement Terminal de Circuit de Données • Modem Modulateur / Démodulateur Source de données Source de données Contrôleur de Communications Contrôleur de Communications Canal de transmission Modem Modem ETTD ETCD ETCD ETTD ARS 00/01

7. Différentes formes de liaisons • Point à point • Multipoint • Point à Multipoint • En boucle ou anneau ARS 00/01

8. Modes d'échange • Simplex : • 1 seul sens d’émission dans le canal de transmission • Duplex à l’alternat (half-duplex) • Un émetteur à chaque extrémité, émission à tour de rôle dans le même canal de transmission selon les règles définies par la liaison de données • Duplex (full-duplex) • Un émetteur à chaque extrémité, émission simultanée dans le même canal de transmission • Transmissions parallèles • Bus des ordinateurs (E)ISA, PCMCIA, VME … • Transmissions séries ARS 00/01

9. T 1 0 0 1 Signal de données Signal d’horloge Synchronisation des transmissions • Transmissions synchrones : • Suite de données synchrone : le temps séparant lesdifférents instants significatifs est un entier multiple du même intervalle de tempsT • Les caractères se suivent sans séparation • Un signal d’horloge est toujours associé aux données (base de temps) ARS 00/01

10. Synchronisation des transmissions • Transmissions asynchrones (ou arythmiques) • Suite de données à instants aléatoires plutôt transmise caractère par caractère => succession de trains de symboles binaires séparés par des intervalles de temps quelconques • La transmission asynchrone des données nécessite l’adjonction à chaque caractère transmis d'éléments de repérage : Start et Stop bits • Durée du Startbit = durée de 1 bit du caractère déclenchement de l’horloge locale • Durée du Stopbit = 1, 1.5 ou 2 bits du caractère (arrêt de l’horloge) • Bit de Parité de vérification de la validité du caractère reçu Exemple de caractère codée sur 4 bits 1 0 0 1 Start Parité Stop Caractère suivant ARS 00/01

11. Modes de connexion (1) • Au niveau physique • Commutation Circuit • Téléphone • Affectation ressources permanentes avec temps d'établissement • Commutation Paquet • Pour optimiser l'utilisation des ressources, supprime le temps d'établissement de la liaison • Tampons nécessaires, engorgement possible • Indépendance du chemin parcouru • Commutation Cellule • Commutation rapide de circuits (ATM) • Paquets de petites tailles : Cellule • Taille fixe pour automatisation simple et surtout rapide ARS 00/01

12. Modes de connexion (2) • Au niveau liaison • Mode sans connexion • Avec acquittement • Plus fiable, mais plus lent • Sans acquittement • Rapide, mais nécessite un réseau à taux d'erreur faible • Mode connecté • Le plus élaboré, le plus fiable, et le plus coûteux en ressource ARS 00/01

13. Supports de Transmission ARS 00/01

14. Généralités • Transfert non instantané qui dépend • Du support (air, cuivre, fibre optique) • De la distance (du mètre à des milliers de kilomètres) • Transfert non parfait du à • Déformation de l' onde durant son transport • Perturbations externes • Au contraire de la vue ou de l'ouie, la transmission de données informatique ne supporte pas les erreurs. • Il faut obligatoirement qu'elles soient corrigées à un moment ou à unautre avant leur possible utilisation sur l'équipement distant. ARS 00/01

15. Définitions • Unité de Fréquence du signal : • Hertz (Hz) : 1/T (T : période du signal) • C'est le nombre de périodes (ou d’oscillations) par seconde (qui se décline kHz, MHz, GHz …) • Fréquence Longueur d'ondes • 30/300 kHz Ondes kilométriques • 30/300 MHz Ondes métriques • 3GHz/30GHz Ondes centimétriques • 30GHz/300GHz Ondes millimétriques ARS 00/01

16. Définitions • Bande Passante(Hz) : • Caractérise tous les supports de transmission, c’est la bande de fréquences dans laquelle les signaux sont correctement reçus BP = F maximale - F minimale • Définit pour un rapport de puissance (Pe/Pr) en dB 10 log (P émission / P reçue) ≤ N • Par convention, on prend N = 3 soit 50 % de "perte" • Exemples : • Sensibilité de l’oreille dans la bande de fréquence 20 à 20000 Hz • Caractéristiques Haut parleur Hi-fi : 30 à 18000Hz • Bande passante du téléphone 300 à 3700 Hz (4000 Hz ± 300 Hz) ARS 00/01

17. Définitions • Le débit binaire (D) caractérise plus une liaison au niveau réseau informatique (bits/s ou bps) : • formule de Shannon • Est une fonction directe de la bande passante (BP) : D = BP log2 (1 + S/N) S/N = signal/bruit • C’est la quantité maximale d’information transmissible sur une voie • exemple : nos lignes téléphoniques • BP ≈ 3400 Hz • S/N ≈ 1000 => Débit binaire maximal théorique ≈ 34000 bits/s ARS 00/01

18. Définitions • Notion de spectre • Le phénomène vibratoire le + simple : la sinusoïde • Sinusoïde parfaite, le spectre d'énergie se représente par une raie • Signal réel => étalement autour de la fréquence F théorique (F±∆f) • Signal binaire => étalement de raies qui se chevauchent => spectre continu énergie du signal Densité d'énergie Fréquence ∆f Fréquence ARS 00/01 Largeur de bande

19. Transmission directe de symbole binaire • Technique non optimale car : • Limitation de la bande passante vers les hautes fréquences des supports de transmission (due aux adaptateurs d'impédance, transformateurs d’isolement …) • Composante continue => suite de 0 ou de 1 non distinguable • Nécessité de transmettre le rythme d’horloge pour la synchronisation du récepteur qui doit pouvoir reconstituer la séquence des données reçues (ajout d'infos à prévoir) • Déformation des signaux transmis augmente avec la largeur de la bande de fréquence utilisée <=> on cherche à réduire la fréquence principale du signal transmis ARS 00/01

20. Transmission de Données et bande Passante • Le spectre du signal à transmettre doit être compris dans la bande passante du support physique :-) • La transmission des signaux binaires engendre un spectre de fréquence étroit => mauvaise utilisation du support de transmission sur un support à large bande passante . • On a recours aux techniques de Codage, de Modulation et de Multiplexage pour pallier ces problèmes • Adaptation des signaux au support • Rentabilisation de l’utilisation du support ARS 00/01

21. Nature de l’information transportée Émetteur Récepteur Transmission des Données Support de transmission Modem Modem ETTD ETCD ETCD ETTD NumériqueAnalogiqueNumérique 1 0 1 1 1 0 1 1 Élément binaires (bits) Élément binaires (bits) Propagation des ondes - Électriques paires métalliques, coaxial - Électromagnétiques milieu aérien - Lumineuses milieu aérien, fibre optique ARS 00/01

22. Types de transmissions • Transmission analogique : • Signal analogique (radio, TV, téléphone…) • Signal numérique (ordinateur) • Transmission numérique : • Signal numérique (Bande de Base) • Signal analogique (MIC*) • MIC : Modulation par Impulsion et Codage (Pulse Coding Modulation) ARS 00/01

23. Types de transmissions : Définitions • Signal numérique : • L'amplitude varie en ne prenant que des valeurs discrètes par intervalle. • Signal analogique : • L'amplitude varie de manière continue dans le temps, les valeurs étant différentes à chaque instant. • Un tel signal n’admet pas de discontinuité. • Différence entre Type de signal et Type de données. • Un signal analogique peut résulter du codage de données numériques ou analogiques, et réciproquement ARS 00/01

24. Transmission analogique • Historiquement les premières (télex, LS bas débit au début des années 60) • Base installée importante de liaison cuivre (PT ou coaxial) dans les villes • 2ième jeunesse avec xDSL (Digital Subscriber Line) • Exemple le plus courant la liaison série V24 (CCITT) ou RS232C (EIA) • Spécification mécaniques, électriques et fonctionnelles de la connexion physique • Exemple simple de la transmission de données • Connexion PC-Modem (V32,V34,V90 …), mode console • Encore très répandue dans le monde informatique • LS vers sites distants (V35, V11...) • Signaux numériques ARS 00/01

25. Caractéristiques Transmission analogique V24 • Mécaniques : • Prise trapézoïdale 25 broches (DB 25) • 9 broches principalement utilisées (DB 9) • Électriques : Signal analogique • 1 : -3 volts 0 : + 3 volts • Débit : 20kb/s sur 15 m (ETTD <-> ETCD) • Fonctionnelles • Voir figure diapositive suivante ARS 00/01

26. Transmission analogique V24 (9 signaux de base) 1 Terre de protection 2 Transmission de données (TD) 3 Réception de données (RD) 4 Demande pour émettre / Request To Send (RTS) 5 Prêt à émettre / Clear To Send (CTS) 6 Poste de données prêt / Data Set Ready (DSR) 7 Terre de signalisation 8 Détection signal de ligne / Carrier Detect (CD) 20 ETTD prêt / Data Terminal Ready (DTR) ETTD ETCD ARS 00/01

27. Transmission analogique V24 : Principes • Initialisation • ETTD sous tension DTR=1 et ETCD sous tension DSR=1 • Communication ETTD/ETCD • ETCD détecte la porteuse => ETTD prévenu par CD • ETTD prévient ETCD volonté TX par RTS • Réponse ETCD par CTS • TX sur TD …. • Communication ETTD/ETTD - ETCD/ETCD • Câble null modem avec croisement broche 2/3 ARS 00/01

28. Transmission analogique • Codes principaux trouvés sur modem normalisé CCITT • 103 : Émission de données (ETTD vers ETCD) • 104 : Réception de données (ETCD vers ETTD) • 105 : Demande pour émettre (RTS) (contrôle de flux) • 106 : Prêt à émettre (contrôle de flux) • 108 : ETTD prêt (DTR) indique que ETTD prêt à fonctionner • 109 : Détection du signal de ligne reçu • 122 : Détection du signal reçu sur la voie de retour (≈ 109) • 142 : Indication de test • Indicateur de qualité de ligne ARS 00/01

29. Transmission numérique • Remplace petit à petit la transmission analogique • Transmission numérique + performante • Faible taux d'erreur des liaisons • Simplicité du signal (0 ou 1) => Simplicité amplificateur • Pas d'effet cumulatif lié aux parasites • Multiplexage plus facile • Exemples pratiques : • ≠ qualité CD et qualité vinyle • V90 (TX : 33.6k, RX 56k) basée sur la qualité du réseau numérique • Convertisseur Numérique -> Analogique : débit 33.6k 56k ARS 00/01

30. Transmissions numériques en Bande de Base • Appelé aussi Modulation Bande de Base (BdB) • Signaux synchrones (asynchrone : débit trop faible) • Signal en bande de base ne subit pas de transposition en fréquence (cas du réseau filaire) • L' ETCD est un simple codeur (codeur BdB) • Le signal doit occuper toute la bande passante disponible (optimum) • Avantages : • Simplicité et faible coût (pas de modulation/démodulation) • Débit binaire élevé possible, si la BP du support est large (FO) • Désavantages : • L' affaiblissement augmente fortement, si la fréquence augmente ARS 00/01

31. Suite de symboles binaires de durée T codeur bande de base (BdB) Suite de symboles transformés de durée  Transmissions numériques en Bande de Base Fonction de codage • La suite des symboles transformés appartient à un alphabet fini  = n * T avec n e N et n > 0 ARS 00/01

32. Codage du signal • Le codage est réalisé principalement pour • Supprimer la composante continue du signal, • Une détection + simple des erreurs de transmission • Codages à 2 (-a, +a) ou 3 niveaux (-a, 0, +a) • Codage biphase : augmentation du rythme des transitions • Codage bipolaire : augmentation du nombre de niveau ARS 00/01

33. +a 0 -a         Exemple de fonctions de codage • Codages à 2 niveaux : • Codage NRZ(No Return to Zero) (le premier mis en place et le + simple) Bit à 0 : -a Bit à 1 : +a • La suite binaire 0 1 0 1 1 0 0 0est représentée par : • Spectre de puissance du signal NRZ concentré au voisinage des basses fréquences => mauvaise transmission par le support ARS 00/01

34. Codage à 2 niveaux • Codage NRZI : (Utilisé par Ethernet 100) • Le 1 est codé alternativement par front montant ou par un front descendant (fonction du précédent codage du 1) • Le 0 garde le niveau de tension du dernier 1 • La même suite binaire que précédemment (01011000)sera codée : • Spectre de puissance de NRZI : bande de fréquence [0 , 1/] => Réducteur de fréquence 0 1 0 1 1 0 0 0 +a 0 -a         ARS 00/01

35. Codage à 2 niveaux • Codage Manchester : (Codage de l'ethernet 10 Mb/s) • Consiste à introduire dans le signal des transitions au milieu de chaque intervalle ( 0 => front montant, 1 => front descendant : synchronisation) • La même suite binaire que précédemment (01011000)sera codée : • Spectre de puissance du signal Manchester utilise une bande de fréquence 2 x + grande (0 , 2/) => BP du support doit être 2 x + large et doit supporter 2 x + de bruit (erreur) 0 1 0 1 1 0 0 0 +a 0 -a         ARS 00/01

36. 0 1 0 1 1 0 0 0 Autres codages à 2 niveaux • Utilisent bande de fréquence [0 , 2/] • Manchester différentiel | a i-1 - ai | vaut 0 => front montant | a i-1 - ai | vaut 1 => front descendant • Utilisé par Token Ring • Code de Miller • Codage Manchester en supprimant une transition sur deux. +a -a ARS 00/01

37. 0 1 0 1 1 0 0 0 +a 0 -a 0 1 0 1 0 0 0 Codages à 3 niveaux • Utilisent bande de fréquence [0 , 1/] • Bipolaire simple • Signal transmis vaut 0 si la donnée vaut 0 • Signal transmis vaut alternativement +a ou -a si la donnée vaut 1 • BHDn (BHD3 ou HDB3 le + utilisé) • Bipolaire Haute Densité • Variantes du code bipolaire simple : limite le nombre n de zéros successifs • Ajout d'un front montant ou descendant fonction du précédent bit = 1 • Exemple de BHD1 ci-contre +a 0 -a ARS 00/01

38. Codage pour Hauts Débits (1) • On s'aperçoit rapidement que les codes utilisés pour éliminer la composante continue ne diminue pas la fréquence du signal et même l'augmente • Pour les hauts débits, on va utiliser deux codages : • Un pour réduire les risques d'erreur • Ajout de bit supplémentaire : Codage de type mB/nB avec (n > m) • Augmente la fréquence d'un rapport n/m • Un pour réduire sensiblement la fréquence • NRZI, MLT3 ... ARS 00/01

39. Codage pour Hauts Débits (2) • Exemple 4B/5B • Réduction de la puissance spectrale aux basses fréquence • Choix judicieux (décodage) de 2n parmi les 2m combinaisons possibles • Garantit un maximum de 2 bits successifs à zéro pour chaque symbole. • 24 codes sur 32 de définis • 16 pour les données • 8 pour le contrôle (début, fin, état de la ligne) • Les autres sont invalides ARS 00/01

40. Codage pour Hauts Débits (3) • 4B/5B suivi de NRZI • En faisant suivre cette représentation par un codage NRZI (Non Return to Zero Invert ones), qui produit une transition pour chaque "1" transmis et pas de transition pour un "0" transmis => fréquence de signal transmis sur le média diminuée d'un facteur 2. • Application pour FDDI, Ethernet 100FX (- de contraintes avec FO) • 4B/5B + MLT3 (Multi-Level Transmit 3) • Pour le cuivre (100BaseTX), on utilise le codage MLT3 à trois niveaux, afin de diminuer le rayonnement parasite et la fréquence d'un rapport 3. ARS 00/01

41. Codage pour Hauts Débits (4) • Transmission sur de plus longues distances (atténuation et déformation du signal fonction de la fréquence) • À distance égale, le décodage du signal est facilité • Code Bloc 8B/10B (origine IBM) • Utilisation de 2 codes blocs (+ simple) pour un octet : • 5 bits de poids fort à 5B/6B • 3 bits de poids faible en 3B/4B • Utilisé par Gigabit Ethernet (802.3z) ARS 00/01

42. 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 Codage pour Hauts Débits (5) • Données à transmettre • Codage 4B/5B • Codage 4B/5B +NRZI • Codage 4B/5B + MLT3 à 3 niveaux ARS 00/01

43. Transmissions analogiques par modulation d’une onde porteuse • Le spectre des signaux modulés est centré sur la fréquence porteuse • Largeur du spectre = largeur du spectre des signaux à transmettre => transmission par transposition de fréquence • La porteuse n’a d’autre rôle que de transporter les signaux dans la bande passante du support • Ne véhicule aucune information en elle-même, seule sa modulation a une signification • L'opération de modulation / démodulation du signal est réalisée par un Modem ARS 00/01

44. Transmissions analogiquesUtilisation des différentes modulations • Modulations d’amplitude : • Radiodiffusion monophonique • Téléphonie • Modulation de fréquence : • Radiodiffusion stéréophonique, télédiffusion • Téléphonie • Modulation de phase : • Transport des signaux numériques sur circuits téléphoniques • Faisceaux hertziens • Liaisons satellites ARS 00/01

45. Transmissions analogiques Formes des ≠ modulations • Modulations d’amplitude (2 valeurs d'amplitude) : • Modulation de fréquence (2 fréquences) : • Modulation de phase (phase en d° variable): ARS 00/01

46. Modulation d’un signal • Un signal S est caractérisé par : son amplitude A, sa fréquence F, et sa phase , tel que : S(t) = A sin (2 F t + ) • Le signal est transporté sous la forme d’une onde faisant varier une des caractéristiques physiques du support : • Tension électrique • Onde radio-électrique • Intensité lumineuse ARS 00/01

47. Modulation d’un signal • La porteuse P se présente sous la forme d’une onde de base régulière P(t) = Ap cos (2 F tp +  p) • Translation du signal dans la bande passante du support • On fait subir des déformations ou modulations à cette porteuse pour distinguer les éléments du message • => 4 types de modulations : • Modulation d’amplitude, de fréquence, de phase (synchronisation) • Modulation combinée (ex.: d’amplitude et de phase) • Nombre de modulations/s = f (BP) du canal de transmission ARS 00/01

48. Effets de la modulation • La modulation est la transformation d’un message à transmettre en un signal adapté à la transmission sur un support physique ou à la législation • Transposition dans un domaine de fréquences adapté au support de transmission • Offre une meilleure protection du signal contre le bruit • Possibilité de transmission simultanée de messages dans des bandes de fréquences adjacentes pour une meilleure utilisation du support (multiplexage) ARS 00/01

49. Modulation et Débit binaire : Définitions • Rapidité de Modulation RM (signal numérique) : RM (bauds) = 1 / T • Le débit binaire D (bits/s) = Q . RM • T: période de modulation • ∆ : durée d'un bit du signal modulé • Q= ∆/T : nombre de bits codé par intervalle de modulation T • Remarque : • Q = 1 (modulation simple), le débit binaire (bits/s) est égal à la rapidité de modulation (bauds) • Par abus de langage, on parle de débit en bauds avec Q = 1 ARS 00/01

50. Modulation et Débit binaire : Exemples • Exemples de modulation de la porteuse en fréquence : • avec 2 fréquences (F1 = 0, F2 = 1) Période de modulation T = transport d’1 bit => RM (bauds) = 1 /T = D (bits/s) • avec 4 fréquences (F1= 00, F2= 01, F3= 10, F4= 11) Période de modulation T = transport de 2 bits => RM (bauds) = 1 / T - D (bits/s) = 2 x 1 /T D = 2 x RM ARS 00/01