quelques principes de base avant l`etude de la couche physique

LA COUCHE 1 DU MODÈLE OSI : LE CODAGE DES
SIGNAUX
I
LA COUCHE 1 DU MODÈLE O.S.I.
Cette couche est la couche physique, elle assure le transport de l'information ; l'unité d'information
utilisée dans cette couche est le bit. La couche physique est un dispositif qui fournit les procédures et
les fonctions mécaniques, électriques et fonctionnelles pour transmettre le flot binaire. Elle établit,
maintient et libère les connexions physiques entre les terminaux (ETTD ordinateur par exemple), les
équipements de circuits de données (ETCD carte réseau par exemple), et/ou les centres de
commutation de données.
Cette couche fait l'objet de normes, la plus connue est la norme V24. Ce protocole comprend des
règles qui concernent : Les voies de transmission ; Les modems ; Les procédures d'établissement des
communications ; La qualité des transmissions ; Les codes et alphabets. Etc.
II
II.1
L'ORDINATEUR ET L'INFORMATION (RAPPEL)
COMMENT PEUT-ON TRANSMETTRE UNE INFORMATION À UN CIRCUIT ÉLECTRONIQUE ?
En effet, l'ordinateur, ne comprend pas la parole ; l'information que l'on désire lui transmettre doit être
adaptée à son mode de fonctionnement. Il faut donc transformer cette information. Cela s'appelle le
codage. Prenons l'exemple de l'électricité. Nous connaissons les deux états d'une lampe électrique : La
lampe est allumée ou éteinte.
le 1 et le 0.
Le langage machine utilise deux symboles :
"1" signifie passage du courant.
"0" signifie absence de courant
C'est ce que l'on appelle un système de numération binaire. Le bit prend les valeurs 0 ou 1. (Il existe
bien sûr d'autres systèmes de numération.). Grâce au système binaire, on peut donc manipuler des
nombres entiers, voire réels.
II.2
COMMENT FERA-T-ON POUR ENVOYER UNE INFORMATION ?
On remplace chaque caractère par un nombre. Exemple : Si on envoie le code 00110111 01110011. Il
faut définir un repère. Par exemple, le nombre de bits de chaque caractère : prenons 8. En calculant
0011 0111 0111 0011 on obtient 55 et 115. Pour savoir ce que cela veut dire, il faut définir un système
de codage. En informatique, des codes ont été normalisés afin que tous les systèmes puissent se
comprendre. Il en existe 2 principaux :
Le code ASCII sur 7
bits
E est représenté par 100 0101
1 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
Le code EBCDIC sur 8
bits
Le caractère L sera
représenté par : 1101
0011
Les informations sont donc toutes représentées sous forme de 0 ou de 1 (ou élément binaire ou bit)
C'est ce que l'on appelle la numérisation. On représente cette information par une suite de créneaux.
Une série de 8 bits est appelée OCTET
II.3
COMMENT FAIT-ON POUR TRANSMETTRE CES SUITES BINAIRES ?
Ceci peut se faire de deux manières différentes : soit en parallèle ; soit en série
En parallèle les 8 bits d'un caractère sont envoyés sur des fils distincts.
Ils arrivent donc à destination en même temps. Ce type de transmission pose des problèmes de
synchronisation. Elle est surtout utilisée pour des liaisons de courtes distances, à l'intérieur d'un
ordinateur par exemple.
En série les bits sont envoyés les uns derrière les autres.
2 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
La succession des caractères se fait de 2 façons distinctes (synchrone et asynchrone). Il est possible de
passer d'une transmission parallèle à une transmission série : supposons que notre information se
trouve sur un câble à 8 fils ; il faut la transmettre sur un seul fil. Cette opération, appelée sérialisation,
est réalisée par des circuits électroniques appelés registres à décalage. Une carte réseau effectue cette
sérialisation par exemple.
La transmission se fait en commençant par le bit de poids le plus faible. C'est à dire le bit ayant la
puissance de 2 la plus petite. Ce registre, au rythme d'un signal d'horloge, est décalé de 1 vers la droite.
A la réception, le chargement se fait de façon inverse pour restituer les informations sous forme
parallèle.
III
LES MODES DE TRANSMISSIONS
Si deux personnes dialoguent dans des langues différentes, elles ne se comprennent pas car elles n'ont
pas les mêmes règles de dialogue. En télétransmission, c'est similaire. Les équipements qui sont aux
extrémités d'une liaison ne peuvent échanger des informations que s'ils utilisent les mêmes règles. On
dit aussi le même mode. On peut définir autant de règles que l'on veut. Cependant, nous allons nous
limiter à celles qui existent et qui sont les plus courantes. On distingue deux types de modes : Les
modes asynchrones, les modes synchrones.
III.1 MODES ASYNCHRONES
Les modes asynchrones sont les plus simples. Examinons celui qui est le plus utilisé : Nous avons vu
que les liaisons de télétransmissions ne savent transmettre que des bits sous forme de 0 et de 1. Dans le
cas du mode asynchrone, on regroupe ces bits par 8 pour former un octet ou un caractère.
L'équipement récepteur reçoit donc 8 bits successifs dont la combinaison représente, en binaire, le
caractère transmis. Puisqu'il n'existe pas de valeur intermédiaire, lorsqu'il n'y a pas de transmission,
l'équipement d'arrivée va détecter un 0 ou un 1. Il faut donc convenir, par exemple, qu'au repos, la
valeur du signal est 1 et que le passage à 0 signale l'envoi d'un octet. Le schéma est donc le suivant :
3 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
Le bit à 0 qui signale le début de transmission s'appelle le bit de START. Le bit de START est un bit
de service ; c'est à dire qu'il sert au contrôle de la transmission mais qu'il ne représente pas une
information utile. A l'arrivée du bit de START, l'équipement récepteur constate qu'il va recevoir des
informations mais il ne sait pas à quel rythme. Il faut donc convenir d'une nouvelle règle, la vitesse
de transmission des bits. Exemple : 300 bits par seconde : on envoie 1 bit tous les 1/300 ème de
seconde. Les équipements doivent bien sûr fonctionner à la même vitesse, sinon l'émetteur enverra par
exemple ses bits plus rapidement que le récepteur ne pourra les lire. Nous allons voir justement
comment le récepteur reconnaît les bits qui arrivent.
1- Ce travail démarre à la détection du bit de START. Ensuite, le récepteur teste l'état de la ligne
au milieu de chaque créneau.
2- Il y a d'abord vérification de l'état 0 du bit de start.
3- Puis, toutes les 1/300 ème de seconde, le récepteur regarde si la ligne est à 0 ou à 1; ceci 8 fois
de suite pour lire les 8 bits de l'octet.
4- Les 8 bits sont suivis en général d'un bit de parité, puis d'un bit de stop. Le bit de parité
permet de détecter une erreur sur les bits d'information. Le bit de stop permet de créer un
intervalle de temps minimum avant d'envoyer le caractère suivant.
Pour un caractère EBCDIC, il y a donc 11 bits : 8 bits utiles et 3 de bits de service. On parle de mode
asynchrone car les caractères arrivent n'importe quand. La synchronisation, c'est à dire le bon
calage du récepteur dans le temps pour lire les bits qui arrivent, est déclenchée, comme on l'a vu par le
bit de start. La synchronisation est ensuite réalisée jusqu'à la lecture du bit de stop. Après ce bit, il y a
désynchronisation jusqu'à l'arrivée du caractère suivant.
4 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
III.2 MODES SYNCHRONES
Dans le mode synchrone, le récepteur est toujours calé sur l'émetteur en recevant en permanence des 0
et des 1. Même en l'absence de transmission. C'est ici que se fait la différence fondamentale entre
modes synchrone et asynchrone puisque, dans ce dernier cas, nous avons vu qu'entre 2 caractères, la
ligne reste en permanence à 1 ou à 0. L'émission continue de ces changements d'états permet au
récepteur, après un décodage particulier de travailler au rythme exact de l'horloge de l'émetteur. Le
récepteur n'a plus alors à s'interroger pour savoir à quel moment il doit tester la ligne pour reconnaître
les bits qui arrivent. On dit que l'horloge est transmise en continu, de l'émetteur au récepteur : Il y a
synchronisation permanente. Il s'agit donc de transmettre les tops d'horloge avant de transmettre les
bits d'information. Plusieurs techniques peuvent être employées. Une méthode consiste à faire
suivre chaque top d'horloge de la valeur du bit à transmettre.
Chaque intervalle de temps T débute par un top d'horloge H. Ce top est suivi d'un signal à 1 ou 0 selon
la valeur du bit à transmettre. Les tops d'horloge sont donc toujours présents même si les bits
d'information restent en permanence à 0 ou à 1. Ce qu'il faut noter sur le mode synchrone, c'est que
par les techniques de transmission de l'horloge, l'émetteur transmet des bits en permanence et le
récepteur les décode en permanence. Le problème est alors de s'y retrouver dans les bits reçus. Pour
cela, il faut à nouveau fixer des conventions :
Signalons qu'il existe 2 modes synchrones : Mode caractère, Mode bit
En mode caractère, l'information utile est transmise sous la forme d'un nombre entier d'octets. En
mode bit, l'information est transmise sous forme d'un nombre quelconque de bits ; on parle de trames
de bits.
III.3 LE SYNCHRONE ET L'ASYNCHRONE ONT-ILS DES AVANTAGES DIFFÉRENTS ?
Le mode asynchrone est simple et peu coûteux mais il utilise mal la liaison car il y a beaucoup de bits
de service par rapport au nombre de bits utiles. Le mode synchrone est plus complexe et plus coûteux
mais il utilise mieux la liaison; il est pratiqué pour des transmissions de grande vitesse. Nous n'avons
vu que la transmission d'un équipement émetteur vers un équipement récepteur. La plupart du temps, il
faut traiter un dialogue et non un monologue. Il faut donc une convention pour fixer le sens de la
transmission. On trouvera 3 cas :
1- La transmission se fait dans un seul sens. C'est la liaison simplex.
2- La transmission se fait dans les 2 sens mais non simultanément. C'est la liaison half-duplex.
(Chaque équipement joue tout à tour le rôle d'émetteur.)
3- La transmission se fait simultanément dans les deux sens. C'est la liaison full-duplex ou
duplex intégral.
IV
LES TECHNIQUES DE TRANSMISSION
Sur les câbles les signaux peuvent être transmis, soit en analogique, soit en numérique. Le système
bande de base permet une transmission bidirectionnelle. Les signaux échangés sont numériques. C’est
ce qu’on trouve dans les réseaux locaux. Le système large bande permet une transmission
unidirectionnelle. Les signaux échangés sont analogiques. C’est ce qu’on trouve sur le RTC.
5 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
IV.1
LA MÉTHODE BANDE DE BASE
Nous venons de voir comment coder les informations afin de n'avoir plus que des 0 et des 1 à
transmettre. Nous avons également élucidé le problème de la synchronisation de l'émetteur et du
récepteur. (mode synchrone et mode asynchrone). A présent, voyons comment ces informations, c'est
à dire ces bits, sont véhiculées sur une liaison. La méthode la plus simple consiste à émettre des
courants qui reflètent les bits des caractères à émettre. Cette méthode est appelée bande de base. C’est
à dire que les signaux sont émis en ligne sous forme d'impulsions électriques carrées. Il existe
plusieurs codes pour transmettre en bande de base. Les voici schématisés
IV.1.1 LE CODE TOUT OU RIEN
Le code tout ou rien consiste à faire correspondre un courant positif pour un bit à 1 et un courant nul
pour un bit à 0. La transmission est assez lente, ce mode de transmission est utilisé par le télex.
IV.1.2 LE CODE NRZ
Dans ce code, on utilise des impulsions polaires. A chaque état d'un bit "0" ou "1", on associe un
courant positif ou négatif.
IV.1.3 LE CODE RETOUR À ZÉRO
Chaque bit envoyé sur la ligne a une durée bien précise. Dans le code retour à zéro, cette durée est
divisée en 2 : la première moitié correspondra à l'information utile, dans la seconde moitié, on
reviendra à un courant nul.
IV.1.4 LE CODE BIPOLAIRE ALTERNÉ
Dans ce code, un bit à 1 sera représenté par une impulsion positive ou négative. C'est l'inversion de la
polarité qui va définir la valeur du bit.
6 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
IV.1.5 LE CODE MANCHESTER
Les données sont représentées de la façon suivante : 0 est représenté par une tension haute puis une
tension basse et le 1 est représenté par une tension basse puis une tension haute.
Toutes les transmissions peuvent donc circuler en bande de base directement sur les lignes. La
transmission en bande de base pose un problème. Si c'est la solution la moins coûteuse, il n'en reste
pas moins que la dégradation des signaux est rapide et importante, 5 km est la distance maximale
efficace. Cette méthode est celle utilisée dans les réseaux locaux.
IV.2 LA MODULATION
Pour des liaisons de longue distance, les signaux ne vont pas être transmis en bande de base; ils vont
être transformés en signaux sinusoïdaux ou analogiques. Un signal sinusoïdal est plus facilement
transportable sur une ligne. Ils se déforment beaucoup moins que des signaux carrés. On module le
signal numérique en signal sinusoïdal pour le transporter facilement. Voici une sinusoïde :
 : phase qui représente le décalage par rapport à l’origine.
w : fréquence qui est égale au nombre d’oscillations par
seconde.
A : amplitude maximale.
V(t) : amplitude à l’instant t.
Un signal sinusoïdal est caractérisé par : son amplitude (A), sa fréquence (w), sa phase (). La
modulation consiste à faire varier dans le temps l'une de ces trois caractéristiques. Il y a donc 3 types
de modulation : modulation d'amplitude, modulation de fréquence, modulation de phase. Cette
technique est dite analogique. Pour les radios, on parle de modulations de fréquence. C’est exactement
le même principe. De même, on parle de modulation d'amplitude pour les grandes ondes.
IV.2.1 LA MODULATION D’AMPLITUDE
Examinons de plus près la modulation d'amplitude. On a vu dans la transmission en bande de base les
différents codes : tout ou rien, non retour à zéro, retour à zéro, bipolaire alterné, manchester. Lorsque
l'on transmet, avec modulation d'amplitude, la distinction entre le 0 et le 1 est obtenue par une
différence d'amplitude du signal.
7 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
La modulation d'amplitude est très simple, mais est très sensible aux parasites et aux imperfections des
lignes. Pour cette raison et d'autres liées à la vitesse de transmission, d'autres modulations sont
nécessaires.
IV.2.2 LA MODULATION DE FRÉQUENCE
On en vient donc à la modulation de fréquence, modulation par saut de fréquence plus exactement. La
modulation de fréquence est caractérisée par la possibilité pour l'émetteur de changer la fréquence
d'envoi des signaux suivant que l'élément binaire à émettre est 0 ou 1.
Pour la transmission en réseau commuté, c'est le moyen le plus utilisé car la modulation de fréquence
assure une bonne sécurité contre les bruits, et nécessite un minimum de matériel électronique.
Rappelons que le bruit est une perturbation sur la ligne.
IV.2.3 LA MODULATION DE PHASE
Il nous reste à voir la modulation de phase ou plutôt la modulation de saut de phase. Dans la
modulation de phase, la distinction entre 0 et 1 est effectuée par un signal qui commence à des
endroits différents de la sinusoïde.
Les bits (de valeur 1 et 0) sont représentés respectivement par des phases 0 et 180°. Dans ce cas, on
parlera d'inversion de phase. Il existe d'autres possibilités de modulation de phase.
IV.2.4 LA MODULATION MIC
Ce procédé de modulation par impulsions codées – MIC - permet de transmettre des informations
analogiques (parole, son...) sur une voie de
transmission numérique telle que Numéris
par exemple.
01011101
La
technologie
MIC
consiste
à
échantillonner le signal, à quantifier chaque
échantillon sur un modèle de référence puis
à transmettre ces échantillons sur la voie. En
00101001
8 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
Echantillonage
Quantification
effet, un signal dont la largeur de bande est W peut être représenté par une suite d'échantillons prélevés
à une fréquence minimum de 2 fois W. Une voie de transmission dont la bande de fréquence irait, pour
simplifier, jusqu'à 4 000 Hz, peut ainsi être reconstituée à partir de ces échantillons, prélevés à une
fréquence de 8 000 Hz, soit un échantillon toutes les 125 µs, le prélèvement de l'échantillon durant
quant à lui quelques µs.
L'amplitude du signal d'origine, détectée lors du prélèvement, est alors codée sur un octet, par rapport
à un référentiel de 256 amplitudes. On transporte ainsi 8 bits toutes les 125 µs, ce qui autorise un débit
de transmission élevé de 8 x 1s/125 µs soit 64 Kbps. Les octets représentant le signal sont alors émis
sur la voie de transmission en bande de base (téléphonie Numéris par exemple) ou après modulation
(téléphonie sur Internet par exemple).
Ce type de transmission présente de nombreux avantages par rapport aux transmissions analogiques
classiques (possibilité de contrôle par code cyclique, multiplexage...), c'est pourquoi il est appelé à une
grande extension dans les années à venir, notamment avec l'extension des réseaux numériques à
intégration de service (RNIS) tel que NUMERIS. Actuellement de nombreux tronçons du réseau
téléphonique utilisent des voies MIC.
V
LE MULTIPLEXAGE
Multiplexer consiste à partager le support de données entre plusieurs utilisateurs. Le problème consiste
à relier N terminaux à un calculateur par exemple sans pour autant construire N liaisons. Le
multiplexeur est un dispositif qui peut combiner des liaisons en divisant une ligne haute vitesse en
plusieurs voies basse vitesse. On peut imaginer que la ligne haute vitesse de 72 Kbps est découpée en
4 voies à basse vitesse avec : A en 19 200 bps, C en 19200 bps, B en 9600 bps, D en 19200 bps
Oui, mais si on additionne les débits des voies A,B,C et D, on obtient 67,2 Kbps et non pas 72 Kbps.
Le débit de la ligne haute vitesse doit être supérieur ou égal à la somme des débits des voies à basse
vitesse. Dans notre exemple, la ligne ne sera jamais saturée. On distingue 2 types de multiplexage : Le
multiplexage en fréquence (FDM), le multiplexage temporel (TDM)
V.1 LE MULTIPLEXAGE FDM
Commençons par le multiplexage en fréquence ou FDM, c'est à dire Frequency Division Multiplexing.
Analysons comment transmettre simultanément les messages de plusieurs terminaux. Une ligne de
données a une bande passante de 300 à 3400 Hz. Le principe est de partager cette bande entre les
différents terminaux. Chacun utilisera une fréquence différente.
Pour éviter le mélange, on assure 100 Hz de bande de garde. Cette technique est simple mais présente
l'inconvénient d'être coûteuse, peu efficace et limitée en vitesse. C'est pourquoi elle est utilisée pour de
courtes distances. Le découpage des fréquences se fait par des filtres, plus précisément des filtres
passe-bande qui ont pour but de découper le spectre du signal de chaque côté.
9 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
V.2 LE MULTIPLEXAGE TDM
Le second type de multiplexage est le multiplexage temporel ou TDM, soit Temporel Division
Multiplexing. Comme son nom l'indique, il va y avoir partage dans le temps de l'utilisation d'une
ligne. On va donc avoir des fréquences identiques et chaque utilisateur émettra à son tour.
On constate que même si un équipement n'a rien à transmettre, son quantum de temps lui reste acquis.
On peut dire qu'il y a synchronisation entre les équipements et le multiplexeur. Ce type de
multiplexage est dit synchrone.
VI
LES PROBLÈMES LIÉS À LA TRANSMISSION DU SIGNAL
VI.1 L’AFFAIBLISSEEMENT
Au téléphone, on remarque souvent qu'un correspondant est loin à sa voix affaiblie. En effet, plus le
trajet est long, plus le signal s'affaiblit : il perd de l'énergie pendant le chemin. Il faut l'amplifier si on
veut déceler ce signal à l'arrivée. L'affaiblissement d'un signal est fonction de sa fréquence; on revient
à la notion de bande passante. Certaines fréquences sont tellement affaiblies qu'elles disparaissent en
cours de route.
VI.2 LA DISTORSION
Un autre problème est le retard de transmission que l'on appelle le déphasage. Ce retard est fonction de
la fréquence. Les informations transmises sont composées de différentes fréquences; à la réception, le
signal sera modifié. Ces modifications sont appelées "distorsions". Lorsqu'elles sont trop importantes,
il faut les corriger. On parle souvent de distorsion de phase et de distorsion d'affaiblissement.
VI.3 LE BRUIT
D'autres déformations sont dues à l'environnement. C'est ce que l'on appelle le bruit. Parfois on se
retrouve à plusieurs sur la même ligne. C'est ce qu'on appelle la diaphonie. Quand deux lignes sont en
parallèle, les signaux de l'une ont tendance à venir se superposer à ceux de l'autre. Il faut donc bien
isoler les lignes les unes des autres. Les bruits sont dus à diverses causes : des coups d'orage, des
décharges d'électricité statique, des grosses variations sur le réseau EDF comme la mise sous tension
de moteurs, de lampes au néon, etc. Ces phénomènes de bruit existent, on ne peut cependant pas y
faire grand chose, mais il est important d'en tenir compte si l'on veut une sécurité dans les informations
transmises.
VII
EXERCICE
Une encyclopédie comportant des images est stockée sur un serveur et occupe 80 Mo. On souhaite la
transférer sur un autre serveur. On dispose d’un réseau ATM autorisant un débit de 622 MBps. Ne
vous préoccupez pas d’éventuels bits supplémentaires de synchronisation ou autre...
a) Combien de temps faudra-t-il pour transférer le fichier ?
b) Combien de temps faudrait-il avec un simple modem 33 600 bps ?
10 Marie-pascale Delamare d’après différents sites web
Corrigé
Commençons par déterminer le volume en bits : 80 Mo = 80 * 8 soit 671 MBits (en réalité
671 088 640 bits).
a) Avec ATM ce volume est à transmettre à raison de 622 MBps donc un temps de transfert de :
671 088 640 bits / 622 * 1 024 * 1 024 soit légèrement supérieur à 1s.
b) Avec le modem : 671 088 640 bits / 33 600 Bps = 19 973 secondes soit plus de 5 heures de
transmission.
Ce qui démontre bien l’intérêt de disposer d’un débit le plus rapide possible !
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