université montpellier ii traitem ent num erique du · fe ≥ 2.f max du signal analogique ... la...

Université Montpellier II

ARINERO Richard Avec l’aide de : SABOUNI Salah, BINEAU Jean Michel, RIGAIL François, IBRAHIMA Farid

TR A ITE M E N T

N U M E R IQ U E

D U

MASTER STPI EEAMASTER STPI EEAMASTER STPI EEAMASTER STPI EEA



2

UNIVERSITE MONTPELLIER II

Transmission Numérique

I. Introduction

1.1. Quel est l’intérêt du traitement numérique ? (page 3)

1.2. Structure de la chaîne de traitement numérique (page 3)

1.3. Quelques exemples d’utilisations de signaux numériques (page 4)

II. Les grands principes

2.1. Signaux numériques (échantillonnage, blocage, codage) (page 5)

2.2. CAN – CNA (page 7)

2.3. Modulations (page 9)

2.4. Modulation par impulsions codées (MIC) (page 11)

III. Partie expérimentale

3.1. Modulation par impulsions codées (MODICOM 3) (page 14)

3.2. Echantillonnage (MODICOM 1) (page 18)

3.3. Multiplexage (MODICOM 2) (page 22)

3.4. Modulations ASK, FSK, PSK et MPD4 (MODICOM 5) (page 26)

IV. Nouvelles technologies

4. TNT (Télévision Numérique Terrestre) (page 33)

V. Conclusion (page 36)



3

ANNEXE 1: Bibliographie (page 37)

ANNEXE 2: Sujets des TP (page 38)



4

I. Introduction

Une des conséquences du formidable progrès des capacités de calcul des ordinateurs et

processeurs numériques électroniques est l’utilisation de plus en plus fréquente du traitement

numérique du signal: les opérations (filtrage, correction, mémorisation, transmission, etc.) qui

se faisaient autrefois à l’aide de systèmes analogiques peuvent se faire maintenant à l’aide de

systèmes numériques. De plus, ces derniers permettent de réaliser des opérations impossibles

à faire analogiquement (par exemple en traitement des images vidéo).

1.1 Quel est l’intérêt du traitement numérique ?

En transmissions, un signal numérique est beaucoup moins sensible aux parasites qu’un signal

analogique. Pour une même qualité, on peut donc utiliser un émetteur plus faible, ou bien

obtenir une portée plus grande.

En transmissions ou pour le stockage, on peut utiliser des codes correcteurs d’erreurs, genre

bit de parité, mais en plus puissant. Par exemple, les disques compacts utilisent un codage

CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code). On rajoute au signal numérique proprement

dit des bits ou des octets qui peuvent permettre, en cas de perte d’information (rayure du

disque, poussière, défaut de pressage), de reconstituer les informations perdues. On peut ainsi

reconstituer, par le calcul, jusqu’à 4000 bits consécutifs manquants.

Un système électronique analogique est sujet à de nombreux décalages et dérives, qu’il faut

corriger " à la main ", ce qui n’existe pas dans un système numérique. Dans les systèmes

numériques, on peut utiliser des microcontrôleurs et leur faire faire différentes opérations

(zéro automatique, changement de calibre, stockage temporaire des données, …)

C’est en traitement d’images que le numérique apporte le plus. On peut pratiquement tout

faire sur une image numérisée, il suffit, pour s’en convaincre d’observer tous les effets que la

télévision utilise quotidiennement.

1.2 Structure de la chaîne de traitement numérique :



5

En général, les signaux d’entrée et de sortie de la chaîne sont analogiques et seul le traitement

se fait numériquement. Il faut donc effectuer une conversion analogique numérique (CAN) et

une autre en sens inverse (CNA).

Descriptif des différents blocs de cette chaîne :

- un filtre anti-repliement : filtre passe-bas de fréquence de coupure inférieure à fe/2 (d’après

Shannon);

- un échantillonneur-bloqueur, qui prélève à intervalles réguliers des échantillons du signal et

les maintient le temps que dure la conversion analogique-numérique;

- un convertisseur analogique-numérique qui fournit un signal numérique;

- l’unité de traitement numérique;

- un convertisseur numérique-analogique qui fournit un signal échantillonné, en général avec

maintien;

- un filtre passe-bas qui reconstitue le signal analogique correspondant au signal

échantillonné.

1.3 Quelques exemples d’utilisations de signaux numériques :

- sons et images numériques (disques compacts, images de télévision, images de synthèse,

etc..);

- signaux numériques issus de capteurs et signaux de commande d’actionneurs;

- transmissions numériques: téléphone numérique, fax, internet, liaisons numériques dans les

systèmes industriels.



6



7

II. Les grands principes

2.1. Signaux numériques

Un signal numérique est une suite de valeurs numériques, qui sont des impulsions de Dirac,

d’amplitudes différentes. Le signal représente toujours une grandeur analogique qui a été

échantillonnée, comme une tension ou un courant.

2.1.1. Echantillonnage

Si s(t) est le signal analogique d’origine, s*(t) sera le signal échantillonné correspondant qui

s’écrira sous la forme :

On considère alors une impulsion de Dirac unitaire : δ

(t)

A l’instant nTe, cette impulsion s’écrit δ

(t-nTe)

Un peigne de Dirac s’écrira donc sous la forme :

On a alors

La numérisation est donc une transformation des signaux qui sont, à l’origine, analogiques.

Leur traitement se fera avec des circuits numériques. Une des dernières étapes de ce

traitement consistera à les reconstituer en signaux analogiques. Le théorème de Shannon

donne une condition sur la fréquence d’échantillonnage, pour que cette opération de retour

soit réussie.

2.1.2. Reconstitution du signal

Théorème de Shannon :

Pour qu’il n’y ait pas de perte d’information lors de l’opération de reconstitution du signal

numérique en signal analogique, il faut que :



8

Fe ≥ 2.Fmax du signal analogique

Pour être certain d’éviter ce problème, on fait passer, avant l’échantillonnage, le signal s(t)

dans un filtre passe-bas de fréquence de coupure inférieure à fe/2. C’est pourquoi ce filtre

s’appelle filtre anti-repliement.

Revenons au filtre permettant de retrouver le signal analogique. Dans la pratique, on n’arrive

pas à réaliser un filtre aussi carré que le filtre idéal (la théorie montre même que c’est

impossible). On peut utiliser des filtres d’ordre élevés, du type Butterworth par exemple, et

échantillonner à une fréquence assez supérieure au double de Fmax. Mais on se contente

souvent d’un système beaucoup plus simple, bien que moins performant: le bloqueur d’ordre

zéro.

2.1.3 Bloqueur

Ce système consiste à maintenir la valeur de chaque échantillon jusqu’à l’arrivée du suivant.

La figure suivante donne un exemple d’un bloqueur d’ordre zero (en vert).



9

Ce bloqueur est utilisé au début de chaîne (CAN).

On peut également trouver des bloqueurs d’ordre 1 (en rouge). Il est utilisé pour la

reconstitution du signal.

2.2. CAN - CNA

2.2.1.1 Convertisseur Analogique Numérique :

Un convertisseur analogique numérique (CAN) est un appareil permettant de transformer en

valeurs numériques un phénomène variant dans le temps. Lorsque les valeurs numériques

peuvent être stockées sous forme binaire (donc par un ordinateur), on parle de données

multimédia.

2.2.1.2. Principe de fonctionnement des CAN:

La quantification des échantillons est effectuée par un CAN. La conversion prenant un certain

temps, le CAN est précédé d’un bloqueur, qui maintient le signal à sa valeur au moment de

l’échantillonnage. La période d’échantillonnage doit bien sûr être supérieure au temps de

conversion, c’est pourquoi celui-ci est une caractéristique essentielle du CAN.

Un CAN est caractérisé essentiellement par:

- son principe de fonctionnement ;



10

- sa résolution (le pas de quantification q), lié à l’intervalle de mesure ∆V (intervalle de

valeurs autorisées pour le signal d’entrée) et au nombre de bits n :

- son temps de conversion ;

- sa linéarité, c’est-à-dire l’écart relatif maximum entre sa fonction de transfert et une droite.

Il existe trois grands principes de fonctionnement: la conversion à rampe, la conversion par

approximations successives, la conversion flash. Les temps de conversion des trois méthodes

sont très différents.

2.2.2.1 Convertisseur Numérique Analogique :

Les convertisseurs numériques analogiques (CNA) permettent de restituer un signal

numérique en signal analogique. En effet, si une donnée numérique est plus facile à stocker et

à manipuler, il faut tout de même pouvoir l'exploiter. A quoi servirait un son numérique si l'on

ne pouvait pas l'entendre...

2.2.2.2. Principe de fonctionnement des CNA:

Le convertisseur numérique analogique reçoit en entrée un nombre sur m bits et délivre en

sortie une tension représentant ce nombre.

Il existe plusieurs sortes de convertisseurs: les convertisseurs à chaînes de résistances, les

convertisseurs à réseau R-2R…



11

Voila les principales caractéristiques à connaître concernant les CAN-CNA.

Notre étude ne porte pas sur leur fonctionnement, mais sur leur principe de base qui porte sur

la transmission numérique.

2.3. Modulations

2.3.1. Pourquoi moduler un signal ?

Le but de la modulation est de convoyer un signal à distance. Il est en effet nécessaire de

moduler un signal car la transmission d'un signal porteur d'informations - d'un message - dans

la bande passante d’un canal de communication, comme une ligne téléphonique ou une liaison

satellite, ne peut pas se faire directement pour une raison simple : la gamme de fréquences

occupée par le signal ne se trouve pas dans la bande passante du canal.

De plus la modulation permet une meilleure protection du signal contre le bruit, la

transmission simultanée de messages dans des bandes de fréquences adjacentes donc une

meilleure utilisation du support.

2.3.2. Principe de la modulation

Il s’agit en fait d’utiliser un signal haute fréquence, appelé signal porteur, dans lequel on va

introduire le signal utile, appelé signal modulant. Et c’est en faisant varier une des

caractéristiques du signal porteur en fonction du signal modulant que l’on obtient un signal

modulé.

2.3.3. Différents modes de modulations

On distingue 6 modes de modulations :

Pour les modes de modulations suivants, le signal porteur varie proportionnellement au

message modulant :

- Modulation d’amplitude (AM ou ASK) ;

- Modulation de fréquence (FM ou FSK) ;

- Modulation de phase (PM ou PSK).

Par contre, pour les modes de modulations suivants, le signal porteur est un train

d’impulsions :

- Modulation par impulsions (PAM, PDM et PPM) ;



12

- Modulation par impulsions codées (PCM ou MIC) ;

- Modulation delta.

Nous allons nous intéresser dans cette partie à une approche théorique et simplifiée de ces

différents types de modulations.

Notre étude portera essentiellement sur des signaux sinusoïdaux, car comme nous l’avons vu,

un signal quelconque est une somme de signaux sinusoïdaux (Fourier).

2.3.4. Modulations d’Amplitude ASK

Dans ce type de modulation le signal source fait varier l'amplitude de la porteuse. On dit aussi

que la source est l'enveloppe de la porteuse.

Cette modulation est surtout utilisée en radio - ondes moyennes (AM ou MW d'environs 500 à

2000 kHz).

La modulation d'amplitude est très sensible aux perturbations électromagnétiques qui peuvent

modifier l'amplitude de la porteuse et donc du signal source lors de la démodulation.

Lorsque l’on parle de modulation ASK, on peut voir les choses de la façon suivante, sans

forcement passer par l’étude mathématique :

Forme de la porteuse Data

A*cos(ω pt) * 1 à A

0 à 0

2.3.5. Modulations de Fréquence FSK

En modulation de fréquences le signal source fait varier la fréquence de la porteuse.

Ce type de modulation est utilisé surtout en radio - ondes ultracourtes (FM d'environs 80 à

110 MHz).



13

La modulation de fréquences est peu sensible aux perturbations électromagnétiques, car ces

dernières provoquent des variations d'amplitude du signal mais pas de sa fréquence. Le signal

démodulé est donc identique à celui de la source.

Lorsque l’on parle de modulation FSK, on peut voir les choses de la façon suivante :

Data Forme des porteuses

0 à a*cos(ω 1t)

1 à a*cos(ω 2t)

ω 1 ω 2

2.3.6. Modulations de Phase PSK

Cette modulation est principalement utilisée pour des transmissions de valeurs binaires.

La porteuse est déphasée selon l'amplitude du signal source. Pour un signal binaire, la

variation de phase est de 180 degrés à chaque transition. On peut également définir 4

déphasages différents (tous les 90 degrés) pour transmettre les valeurs binaires

"00", "01", "10", "11".

Dès lors le débit binaire sera 2 fois plus grand que le débit exprimé en Bauds (bit/sec).

Lorsque l’on parle de modulation PSK, on peut voir les choses de la façon suivante :

Data Forme de la porteuse

0 à φ = 0 à a*cos(ω t)

1 à φ = π à a*cos(ω t + π )

Saut de phase de π

2.4. Modulation par impulsions codées (MIC)



14

C'est A.H. Reeves, des laboratoires de l’International Téléphone and Télégraph Company

(ITT) qui a inventé ce type de modulation en 1937.

C'est le fondement de l'enregistrement numérique.

Les traitements essentiels qui interviennent en modulation MIC sont illustrés sur le schéma

suivant :

- L'échantillonnage consiste à prélever des échantillons d'un signal analogique à des

instants discrets.

- La quantification est la représentation de l'amplitude d'un signal au moyen d'un

ensemble fini de niveaux.

- Le codage correspond à la conversion de chacun de ces niveaux en une valeur

numérique.

Ces trois grands points seront plus développés par la suite.

2.4.1. Schéma de principe

Le schéma bloc de la modulation MIC comporte plusieurs parties dépendantes les unes des

autres :

- un échantillonneur ;

- un quantificateur ;

- un codeur N bits ;

- un module transformant les mots binaires en signaux électriques via la transmission ;

- un modulateur analogique FM (ou PM) pour les transmissions ;

- et éventuellement un compresseur après l’échantillonneur.

2.4.2. Echantillonnage

Lorsque l'on désire numériser un signal analogique, c'est-à-dire le coder à l'aide d'une suite

finie de nombres, on commence généralement par l'échantillonner.



15

Cette opération consiste à prendre la valeur instantanée du signal à des instants séparés par un

temps constant Te. L'échantillonnage est classique, il se fait sans blocage, et donne un signal

noté e*(t).

2.4.2. Quantification

A chaque niveau de tension est associé une valeur binaire codée sur n bits:

N bits vont permettre de distinguer 2 niveaux de tension répartis de -Vm à +Vm. On a ainsi

un pas de quantification :

Avec n=nombre de bits

Ainsi un signal de ±5V codé sur 8 bits donnera un pas de quantification q=39mV.

La caractéristique d’entrée/sortie d’un

CAN est une caractéristique en marche

d’escalier. Chaque palier a une largeur

d’un pas de quantification q. Le passage

d’un palier à un autre correspond à une

variation de ‘1’ du code.

2.4.3. Codage

La modulation par impulsions codées fait

appel à un codeur. Il s'agit d'un dispositif qui

code les échantillons quantifiés en leur

attribuant une valeur binaire. La suite de

valeurs binaires est elle même transformée

en une chaîne d'impulsions séquentielles

avant d'être transmise.



16

Pour ce signal échantillonné d'amplitude 7 volts, on fixe la taille de l'incrément à un volt. On

emploie ainsi huit niveaux de quantification, ce qui correspond à un codage binaire sur 3 bits,

situé aux valeurs 0, 1, 2,.....,7 en décimal. On assigne le code 0 au niveau binaire 000, le code

1 au niveau binaire 001 et ainsi de suite jusqu'à 7 (111 en binaire).

2.4.4. Modulation FM ou PM

Pour terminer la chaîne du schéma bloc de la modulation MIC, on parle de modulation en

fréquence ou en phase pour les transmissions. La transmission des données se fait par

l'intermédiaire d'une onde porteuse, une onde simple dont le seul but est de transporter les

données par modification de l'une de ces caractéristiques (amplitude, fréquence ou phase),

c'est la raison pour laquelle la transmission analogique est généralement appelée transmission

par modulation d'onde porteuse.

Exemple d’une modulation de fréquence :

Afin de mieux illustrer la modulation par impulsions

codées MIC, un TP a été mise en œuvre (MODICOM

3).

III. Partie expérimentale

3.1. Modulation par impulsions codées : (MODICOM 3)

La connexion entre l’émetteur (modicom 3/1) et le récepteur (modicom 3/2) se fait sur 3 fils

(fig. 1 du sujet). Le but de cette étude est d’obtenir une transmission sur le moins de fil

possible soit 1.

La maquette peut fabriquer des signaux continus ou alternatifs.

Le fonctionnement général de cette maquette est le suivant :

- les 2 signaux analogiques (dans ce cas) créés sont, dans un premier temps, multiplexés sur

un canal ;

- ensuite, ce signal passe dans le CAN puis est envoyé ;

- pour la réception, c’est en quelque sorte le chemin inverse qui se passe.



17

3.1.1. Mode de connexion 1 : (connexion sur 3 fils)

Pour la manipulation figure 1, nous avons tout d’abord vérifié que le « Sync. Code

generator » et que le « Sync. Code receptor » soient sur Off et que le mode soit « Fast ».

Après avoir générés DC.0 et DC.1 sur les canaux CH0 et CH1, nous avons visualisé à

l’oscilloscope Tx.T0 et le canal Tx.Data afin de vérifier l’allure de la trame donnée par la

figure 2 :

Les chronogrammes suivants correspondent à la valeur du LSB seul de Data0 :

Le code binaire de ce signal serait :

0 1000000 0000000

1 bit + Data0 + Data1

start

1 trame

Le bit de start correspond en fait à tous les débuts de trame. Ce qui veut donc dire que la

période du signal Tsignal correspond à la durée d’un bit de start à l’autre.

Nous avons alors visualisé à l’aide des curseurs de l’oscilloscope la durée Tsignal = Ttrame.

Ł Ttrame = 62.4µs Ł Ftrame = Fe = 1/62.4µs = 16 kHz

Nous en déduisons alors la période d’un bit:

Tbit = 62.4µs / (14+1) = 4.16µs

Visualisation d’une période d’horloge :

Signal d’horloge

Période d’un bit

On en déduit alors que :

Tclk = Tbit = 4.16µs

Les chronogrammes suivants correspondent au niveau maximum de Data0 et minimum de

Data1 :



18

Le code binaire de ce signal serait :

0 1111111 0000000

1 bit + Data0 + Data1

start

1 trame

Correspondance entre la valeur analogique et l’échelle numérique:

Calcul du grain de quantification (quantum) ∆v.

Définition du terme « quantum » : Plus petite variation entre 2 pas.

Nous avons mesuré Vmax=5.9V

Donc :

avec n = nombre de bits = 7 bits

alors ∆v = 0.09V

Nous envoyons maintenant une sinusoïde à 1kHz sur CH0 (avec n’importe quel signal sur

CH1) et nous obtenons les courbes suivantes :

Signal (S1) à 1kHz

Signal (S2) reçu avant le

filtrage



19

Le signal S2 est échantillonné à convolution de la sinusoïde S1 et du Peigne de Dirac.

On peut s’apercevoir qu’il y a un retard entre S1 et S2 de 120µs.

D’où vient ce retard ?

Nous avons vérifié les temps de conversion des différentes maquettes :

- temps de conversion d’émission : 15*4µs = 60µs ;

- temps de conversion de réception : 15*4µs = 60µs.

Ce retard vient donc du temps que mettent les CAN et CNA pour leur conversion.

Nous nous sommes ensuite intéressés au signal après le filtrage, et nous avons obtenu les

courbes suivantes :

Signal S1

Signal S2 avant filtrage

Signal S2’ après filtrage

Le signal S2’ filtré correspond au signal échantillonné moins les hautes fréquences.

On peut voir qu’il y a également un retard sur S2’ qui est du au filtre.

Pour conclure sur ce Mode de connexion 1, nous avons fait fonctionner l’émetteur et le

récepteur en mode « slow ». Nous avons envoyé sur CH0, Data0 au niveau logique 1 et sur

CH1, Data1 au niveau 0.

On a ensuite pu compter 15 coups d’horloge entre l’apparition des 1 dans le convertisseur de

l’émetteur et celui du récepteur.

3.1.2. Mode de connexion 2 : (connexion sur 2 fils)

Le but de cette connexion est d’enlever le bit de start, donc, d’un aspect commercial,

économiser 1 fil.

On utilisera alors un générateur de code de synchronisation (code pseudo-aléatoire).

Registre à décalage rebouclé par un OU Exclusif pour la

génération.



20

Pour la détection du code de synchronisation.

Dans ce cas, le récepteur ne sait pas où commencent les trames mais il connaît leur longueur

de 15 bits. Il prélève alors un bit tous les 15 bits et teste en permanence si la sortie du

détecteur de synchronisation est égale à 0. Si la sortie =1, il saute un bit vers la gauche et

prélève toujours un bit sur chaque trame. Il continu jusqu’à ce que la sortie =0.

On peut alors en déduire que la durée au maximum peut être de :

15 trames * 15 bits => 15 * 15 * 4.16µs = 936µs

Avec le code de synchronisation actif, le signal reçu sera, au bout de 936µs, le même que

celui envoyé.

Par contre, si le code de synchronisation est inactif, le signal sera différent pour les raisons

suivantes :

- si le récepteur choisit que le début de la trame est au milieu de Data0, le signal aura une

forme A ;

- si le récepteur choisit que le début de la trame est au milieu de Data1, le signal aura une

forme B, ect…

signal d’entrée

signal de sortie si le code de

synchronisation est inactif

On vérifie ensuite que le code pseudo-aléatoire est correct :



21

0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0

3.1.3. Mode de connexion 3 : (connexion sur 1 fil)

Ce mode de transmission est en quelque sorte une transmission asynchrone (ne dépend pas

d’un signal d’horloge).

La PLL (boucle à verrouillage de phase) dont le comparateur de phase est constitué d’un OU

Exclusif suivi d’un filtre passe-bas permet de régénérer l’horloge à partir du signal lui-même.

Le VCO est un convertisseur tension-fréquence. Dans notre cas, à une tension de 2.5V, on a

une fréquence, qui est réglable, à ~240kHz. (T=4.16µs)

Pour finir cette étude, nous avons vérifié que l’on pouvait synchroniser n’importe quel signal.

3.2. Echantillonnage : (MODICOM 1)

Le but de ce TP est de nous montrer comment un signal peut être échantillonné, transmis

comme une suite d’échantillons, puis reconstitué à l’aide de filtres passe-bas.

3.2.1. Bloc de logique de commande d’échantillonnage : (Sampling control logic)

Il fabrique une commande d’échantillonnage à différentes fréquences (2, 4, 8, 16, 32kHz) et

d’ouverture réglables (10 à 90%).

Il comprend un compteur BCD d’horloge réglable. Cette horloge est obtenue à la sortie d’un

multiplexeur. Le compteur est suivi d’un comparateur sur 4 bits qui permet de faire varier

l’ouverture de l’échantillonneur.

Les chronogrammes suivants nous montre le signal d’horloge ainsi que le compteur :



22

Horloge

Poids faible du compteur

Poids fort ducompteur

Sur les chronogrammes précédents, on peut apercevoir des "glitchs" (parasites).

Afin d’obtenir des signaux de meilleurs qualités, nous avons supprimé ces parasites à l’aide

d’une bascule D Latch.

Suppression des glitchs (30%)

Horloge

Signal (avec glitchs)

Signal (sans glitchs)

Passé dans la bascule D

Latch actif sur ½

En regardant de plus près, enlever les glitchs, n’est pas la seule raison de l’utilisation de la

bascule D.

En effet :

- elle permet de synchroniser le signal de sortie du comparateur avec les fronts montants du

signal d’horloge ;

- elle inverse l’état du comparateur et filtre les parasites du à la synchronisation.

3.2.2. Bloc d’échantillonnage :

Les chronogrammes suivants nous montre la sinusoïde fabriquée par la plaquette, avec une

horloge de 40kHz et un rapport cyclique de 50% :

Sinusoïde de 40kHz

Signal échantillonné simple

Signal échantillonné

et bloqué



23

Pour une fréquence d’horloge du compteur de 40kHz, la fréquence d’échantillonnage

Fe=4kHz.

On peut alors dire que l’on dispose de 2 dispositifs d’échantillonnage :

- échantillonnage simple : Le signal est recopié tant que le signal d’échantillonnage est à 0.

Lorsqu’il passe à 1, le signal échantillonné repasse à 0 (latch).

- échantillonneur-bloqueur : Lorsque le signal échantillonné passe à 1 (latch), la valeur

échantillonnée reste jusqu’au prochain ordre d’échantillon (recharge de condensateur).

Les courbes suivantes nous illustrent que lorsque l’on augmente le rapport cyclique, le signal

reconstitué est meilleur :

Signal de 40kHz


d’ordre 1 (50%)


d’ordre 1 (80%)

3.2.3. Le bloc de reconstitution des signaux :

Les filtres passe-bas permettent de lisser le signal reconstitué. Au niveau spectral, un filtre

passe-bas permet de garder les basses fréquences tout en supprimant les hautes dont le bruit.

Plus l’ordre du filtre est élevé, moins on aura de raies spectrales indésirables (cela dépend

aussi de la fréquence de coupure).

Les quatre courbes suivantes représentent en fait les différents types d’échantillonnage, ainsi

que leur FFT (avec des filtres d’ordres différents).

Echantillonnage libre (Fe=8khz), filtre d’ordre 2:

Signal échantillonné (50%)

Signal reconstitué

(mauvaise qualité)

FFT (filtre ordre 2)

Fo Raie du

Fondamental Fe-Fo Fe Fe+F



24

Grâce à la FFT, on peut visualiser plusieurs choses :

- la fréquence d’échantillonnage à 8kHz ;

- la fréquence Fo du fondamental à 1kHz (fréquence du signal injecté)

- les 2 raies Fe±Fo (7kHz et 9kHz).

On sait que la convolution est la multiplication des transformées de Fourier. Le signal

échantillonné est le résultat de la multiplication du signal injecté (1kHz) par le signal de

commande (Latch) => le spectre de la sinusoïde échantillonnée est le résultat de la

convolution.

D’un point de vue mathématique, on peut calculer les fréquences de ces 2 raies, et on

s’aperçoit que : dans la FFT d’un signal échantillonné, à toutes les fréquences

d’échantillonnage nFe, on a des 2 raie à ± Fo.

On peut donc voir, sur les courbes précédentes, que le signal n’est pas correctement

reconstitué. On aperçoit nettement les 2 raies (Fe±Fo) qui viennent perturber le signal. Pour

les supprimer, il y a plusieurs méthodes : changer l’ordre du filtre ou changer

l’échantillonnage.

Echantillonnage libre (Fe=8khz), filtre d’ordre 4:

Signal échantillonné (50%)

Signal reconstitué

qualité moyenne


Fe

En changeant l’ordre du filtre, on a pu plus atténuer ces 2 raies, ce qui se ressent sur le signal

reconstitué, qui est de meilleure qualité.

Echantillonnage bloqué (Fe=8khz), filtre d’ordre 2:

Signal échantillonné bloqué

Signal reconstitué

qualité moyenne




25

Echantillonnage bloqué (Fe=8khz), filtre d’ordre 4:

Signal échantillonné bloqué

Signal reconstitué

bonne qualité


3.3. Multiplexage : (MODICOM 2)

Cette plaque montre comment des signaux analogiques échantillonnés peuvent être

multiplexés temporellement sur une même voie de transmission.

3.3.1. Emetteur :

La maquette permet le multiplexage de quatre signaux sinusoïdaux (2kHz, 1kHz, 500Hz et

250Hz) échantillonnés à 16kHz. L’émetteur envoie sur la ligne de transmission une suite

d’impulsions dont l’amplitude est modulée par la valeur des divers signaux à l’instant de

l’échantillonnage, d’où le nom de PAM (Pulse Amplitude Modulation).

La période d’échantillonnage (62,5µs) est subdivisée en 4 fenêtres (time slot) allouées aux 4

canaux à transmettre. Le pourcentage de cette fenêtre réservé à l’échantillon (rapport

cyclique) est réglable par pas de 10 entre 0 et 90%.

Les chronogrammes suivants sont en fait les signaux des pins Tx CH0 et Tx Clock, ainsi que

sur les pins 2, 3 et 4 :

PT4 (64kHz)

PT2 (16kHz)

PT3 (32kHz)

Tx CH0 (16kHz)

Tx Clock (64kHz)

On peut remarquer que Tx Clock sert à la synchronisation du récepteur et que Tx CH0 nous

donne la durée de la fenêtre allouée au premier canal.



26

Cette durée est de 15µs max. Mais dans notre cas, elle est plus précisément de 13,5µs (~90%

de 15µs).

Nous avons ensuite voulu visualiser les signaux des pins 7, 8, 9 et 10 :

PT4 (64kHz)

PT7

PT8

PT9

PT10

La fabrication des 4 fenêtres est assurée par un compteur par 4 dont les sorties (PT2 et PT3)

servent de clés à un multiplexeur (1à 4) qui fait passer le signal de le PT4 vers les sorties 7,

8, 9 et 10.

Pour poursuivre, nous avons visualisé à l’oscilloscope les 4 sinusoïdes multiplexées (Tx

Output) : ce qui donne le signal suivant, qui n’est pas très lisible.

De ce signal, nous avons pu obtenir son spectre à l’aide de la touche FFT de l’oscilloscope :

"groupe de pics" qui entour les fréquences d’échantillonnage



27

De ce spectre, on peut vérifier et voir plusieurs choses :

- a chaque fréquence d’échantillonnage (nFe avec Fe = 16kHz), on a un "groupe de pics".

- les "groupe de pics" correspondent en fait aux fréquences ± 250Hz, ± 500Hz, ± 1kHz, ±

2kHz, qui viennent du produit de convolution des différents signaux.

En faisant un zoom sur le groupe de pics qui se situe autour de zéro, on peut voir nettement

ces différents pics :

Centrer autour de 0Hz

Raie à : 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz

3.3.2. Récepteur :

Pour prélever les échantillons aux bons moments, il faut que le compteur par 4 qui précède le

multiplexeur soit synchrone avec le compteur de l’émetteur. Pour cela, il faut non seulement

qu’il ait la même horloge (Clock commune) mais il faut aussi qu’il passe par l’état 0 au même

moment (Reset commun).

Il existe trois modes opératoires :

MODE 1 :

La liaison entre l’émetteur et le récepteur se fait par trois fils.

A l’aide de l’analyseur logique, nous avons visualisé les signaux des pins 7 et 8 de l’émetteur

et pin 36 du récepteur :

pin 7

pin 8

CH0

pin 36 ajusté (portion

allouée à chaque canal)

pin 36 non ajusté



28

L’échantillonnage du CH0 est bien récupéré au bon moment à condition de bien ajuster la

phase.

On remarque la durée d’ouverture au niveau du récepteur est toujours de 15,6µs (100% du

rapport cyclique). En fait, le récepteur laisse le canal ouvert à 100% et la portion récupérée

varie de 10 à 90%.

Nous avons ensuite visualisé le signal CH0 de l’émetteur (pin 11), le signal échantillonné par

le récepteur (pin 42) puis le signal filtré (pin43) :

CH0

pin 42

pin 43

Ce démultiplexage est incorrecte. Le retard de transmission entre les signaux Clock et

multiplexés peut entraîner des erreurs d’aiguillage. Dans ce cas, la phase est mal ajustée.

L’ouverture du démultiplexeur correspond à 1 portion du signal CH0 et 1 autre de CH1.

Alors que les signaux suivants sont correctement démultiplexés :

pin 42 (signal échantillonné)

pin 43 (signal filtré)

MODE 2 :

La liaison entre l’émetteur et le récepteur se fait par deux fils.

Le signal d’horloge est reconstitué à l’aide d’une PLL (boucle à verrouillage de phase).

Le même type d’observations sera à faire au point de vue des manipulations. Tout en faisant

attention à bien ajuster le seuil du comparateur de la PLL.

MODE 3 :

La liaison entre l’émetteur et le récepteur se fait par un fil. (Téléphonie)



29

On sacrifie le signal transmis par CH0 en le remplaçant par 1 signal continu de niveau plus

élevé que les 3 sinusoïdes transmises pour qu’une fois échantillonné et transmis, il puisse être

récupéré à l’aide d’un comparateur à seuil. (la pin 42 est envoyées vers l’entrée de la PLL).

3.4. ASK, FSK,PSK, codage : (MODICOM 5)

La transmission de données numériques nécessite trois étapes : le formatage (fabrication

d’une trame : TP MODICOM 3 par exemple), le codage et la modulation numérique.

. Formatage : Les signaux numériques (suites de bits) peuvent être transmis sous des formes très diverses de

signaux impulsionnels, appelées parfois codes de ligne :

- NRZ à (code unipolaire avec non-retour à zéro) ;

- NRZ(L) à (Level) ;

- NRZ(M) à (Mark) ;

- RZ à (code unipolaire avec retour à zéro) ;

- Manchester à (code biphasé) ;

- Mark à (code biphasé ou manchester différentiel) ;

- RB à (return to bias) ;

- AMI à (Alternate Mark Inversion).

. Codage : Le plus rudimentaire consiste à une simple recopie de bits à transmettre.

Fabrique les données Modulation et codage

Dans toute cette partie, on se servira des données fabriquées par la carte MODICOM3/1. On

réglera DC1, de cette carte, pour avoir comme données dans le convertisseur 0100011 que

l’on branchera aux entrées CH0 et CH1.

Le code étant vérifié grâce aux diodes du CAN.

Modulation numérique : Il existe 3 types de modulation :

- ASK (Amplitude Shift Keying) ;

- FSK (Frequency Shift Keying) ;

- PSK (Phase Shift Keying).

3.4.1. Modulation d’amplitude ASK: Rappel de base de la modulation ASK :



30

Porteuse Data

A*cos(ω pt) * 1 à A

0 à 0

Fréquence de notre porteuse : Fp = 1,44MHz

On émet les Data (ou NRZ(L)) sans le code de synchronisation :

code NRZ(L)

signal modulé

signal ASK demodulator

redressé

signal filtré

signal après comparateur

(signal démodulé)

3.4.2. Modulation de Fréquence FSK: Rappel de base de la modulation FSK :

Data Porteuses

0 à a*cos(ω 1t)

1 à a*cos(ω 2t)

Fréquences des deux porteuses :

F1 = 960KHz

F2 = 1,44MHz

ω 1 ω 2

On émet les Data sans le code de synchronisation :



31

DataNRZ(L)

D1 + D2 (Summing

Amplifier)

a*cos(ω 2t) * Data (D1)

(sortie démodulateur 1)

a* cos(ω 1t) * Data (D2)

(sortie démodulateur 1)

Lorsque l’on parle de modulation FSK, on peut penser à démodulation. C’est pour cela que

nous avons visualisé à l’oscilloscope les différentes étapes de la démodulation FSK :

signal modulé

sortie de la PLL

sortie du filtre

sortie du comparateur

Quelques petites explications sur ces signaux :

- le signal modulé non viens donc de la modulation ;

- la PLL est en quelque sorte un convertisseur fréquence/tension.

Grâce à la PLL, la porteuse est totalement synchrone avec la fréquence du signal

modulé ;

- le filtre passe-bas nous permet d’obtenir la valeur moyenne du signal ;

- et le comparateur va comparer sa valeur de seuil au signal et va nous donner un

signal carré.

3.4.3. Modulation de Phase PSK: Rappel de base de la modulation PSK :

Data Porteuse

0 à φ = 0 à a*cos(ω t)

1 à φ = π à a*cos(ω t + π )

Saut de phase de π



32

On émet les Data sans le code de synchronisation :

Data NRZ(M)

sortie bipolaire

sortie du modulateur

On peut bien voir les sauts de phase

La démodulation PSK fonctionne de la façon suivante : l’élévation au carré du signal PSK

enlève le saut de phase et double la fréquence. La sortie de la PLL est divisée par 2 afin de

retrouver la fréquence d’horloge. Ce signal commande un multiplexeur analogique qui laisse

passer le signal qui est par moment en moyenne négatif (signal en phase) et par moment en

moyenne positif (signal en opposition de phase). Après passage par un filtre passe-bas, on

remet le signal en forme par un comparateur.

Les chronogrammes suivants correspondent aux différentes étapes de la démodulation PSK :

Data NRZ(M)

sortie PSK demodulator

sortie filtre

sortie comparateur

4. Modulation à 4 états de Phase:

Le schéma de principe est le suivant :



33

Les 2 porteuses sont les mêmes mise à part que l’une est déphasée de π /2 par rapport à l’autre

(quadrature). Suivant la valeur de Data par laquelle est multipliée la porteuse, on aura un

déphasage de 0, π /2, π ou -π /2. Cependant, il s’agit d’un déphasage relatif, ce qui signifie que

les sorties d’un même multiplieur seront déphasées de π .

Dans le plan de Frenel (plan de phase), on peut représenter S(t) selon la figure suivante:

On voit que l'on peut transmettre 2 bits consécutifs à la fois ce qui réduit la fréquence de

l'horloge de transmission et l'occupation fréquentielle d'un facteur 2 (compression d'un facteur

2 des data).

Il y a tout de même un inconvénient pour la démodulation qui a besoin de connaître la phase

absolue de S(t) et donc d'insérer dans le message des signaux de synchronisation rendant

possible la démodulation cohérente (analogie avec le passage du "reset" dans le TP

MODICOM 2).

Afin d'éviter cet inconvénient, on utilise alors la modulation différentielle à 4 états de phase

(MPD4). Chaque couple de data (ou dibit : A1A2) introduit un saut de phase qui s'ajoute à la

phase précédente suivant le tableau suivant :

A1A2 Old New ∆Φ

I Q I Q

0 0 0 0

0 1 0 1

0 0 1 1 1 1 0°

1 0 1 0

0 0 0 1

0 1 1 1

0 1 1 1 1 0 -π /2

1 0 0 0

0 0 1 1

0 1 1 0

1 0 1 1 0 0 -π

1 0 0 1

0 0 1 0

0 1 0 0

1 1 1 1 0 1 π /2

1 0 1 1



34

Afin de mettre en oeuvre cette étude concernant la modulation à 4 états de phase, on se servira

des données fabriquées par la carte MODICOM 3/1. On enverra la valeur continue de DC1

dans les entrées CH0 et CH1 sans le code de synchronisation.

En changeant les valeurs de DC1 et en revenant à 0, nous avons retrouvé les 4 possibilités

pour les sorties LSB et MSB (New IQ du tableau précédent) : 00, 01, 10 et 11.

Les courbes suivantes correspondent à la porteuse de 960kHz (en phase) ainsi qu'aux signaux

en sorties du sommateur où on peut y voir les différents déphasages obtenus :

signal en sortie du

sommateur

90° 135°

porteuse 96OkHz

sortie du sommateur

180° 45°

porteuse

Maintenant, on règle DC1 (MODICOM 3/1) pour avoir comme données dans le convertisseur

0100011 que l’on branche aux entrées CH0 et CH1.

La période pour les dibits correspond à 2 trames de Data. On va visualiser les Data et le LSB

du dibit du MODICOM 5/1.

On sait que la période pour les dibits est de 2 trames, on en déduit donc que la périodicité du

LSB du dibit A1A2 est double, donc de 4 trames de données :



35

S = bit de start

Data S S S S S

4 trames

période du

LSB

En gardant les mêmes réglages de la synchronisation que précédemment, on a visualisé les

sorties des 2 modulateurs avec différents sauts de phase ainsi que celle du sommateur (sauts

de phase de π /4, π /2 ou 3π /4) :

π /4 modulateur 1

-π /2 π /4

modulateur 2

π /2 -π /2

sortie

3π /4 π /2 -π /4 sommateur

Maintenant le signal modulé, il va falloir le démoduler.

Comme précédemment, en changeant les valeurs de DC1 (MODICOM 3/1) et en revenant à

0, nous nous sommes placés à une valeur de IQ données (LSB et MSB) : 00, 01, 11 ou 10.

Les courbes suivantes sont la porteuse 960kHz, le signal modulé QPSK et les sorties I et Q :

porteuse 960kHz

signal modulé QPSK

I output

Q output



36

En se référant à la page 6 du sujet, on peut en déduire que le déphasage obtenu correspond à

un déphasage de 225° au niveau du signal modulé (New IQ), avec un I output niveau moyen >

0 et un Q output niveau moyen > 0.



37

IV. Nouvelles technologies

4. TNT (Télévision Numérique Terrestre) :

4.1. Introduction :

Cette révolution qui touche tous les français est un merveilleux exemple de progrès effectué

dans le domaine de la transmission numérique d’information. En effet, si il est aujourd’hui

possible de recevoir à l’aide d’une antenne râteau 14 chaînes de qualité égale à celle d’un

DVD, c’est à la suite de beaucoup de travail et de recherche en terme de codage, de

modulation et de transport.

4.2. Qu’est-ce que la TNT ?

La TNT (Télévision Numérique Terrestre) est un bouquet de chaînes (actuellement 14

gratuites et à termes une trentaine dont la moitié payantes) lancé le 31 mars et qui va

remplacer le réseau des chaînes nationales actuelles. Le principal changement est que l’on

passe d’une technologie analogique à une technologie numérique.

Pourquoi cela ? Tout d’abord pour rendre compatible la télévision avec tout ce qui est du

domaine de l’ordinateur (Internet…). Ensuite pour atteindre une meilleure qualité au niveau

de la réception et enfin pour augmenter de manière très importante le nombre d’informations

transmises (plus de chaînes, sous-titrages, système d’information…).

4.3. Fonctionnement global de la TNT :



38

Le schéma précédent décrit le principe de diffusion de la TNT. On s’aperçoit que la mise en

place de plusieurs niveaux (national, régional, local) permet l’insertion de programmes de

proximité et la réalisation de décrochages locaux.

Le numérique était déjà employé par les chaînes nationales pour stocker leurs programmes

mais le fait de les diffuser par voie hertzienne en numérique est une réelle révolution.

4.4. TNT : une technologie de pointe :

On peut diviser celle-ci en 5 points :

- le codage de source ;

- le multiplexage des programmes ;

- le transport (de la tête de réseau jusqu’au site de diffusion) ;

- la diffusion ;

- la réception.

On ne traitera que de la diffusion et du type de la modulation qui constitue la principale

avancée technologique.

En ce qui concerne le codage, il faut savoir que c’est un codage en MPEG2 qui a été retenu

pour les chaînes gratuites, et le MPEG4 pour les chaînes payantes. Ce codage permet de

préserver la qualité numérique et de garantir une excellente qualité des images et des sons.

Le multiplexage des programmes, lui, est le fait de pouvoir diffuser 5 à 6 programmes

audiovisuels sur la même fréquence là où il n’y en avait qu’un en analogique. Cette technique

permet également l’insertion de données telles que le sous-titrage, le système d’information

ainsi que les services interactifs.

Le transport du multiplex de programmes depuis la tête de réseau jusqu’au site de diffusion

peut se faire par satellite ou via le réseau terrestre (faisceaux hertzien, fibres optiques).



39

4.5. La diffusion : la modulation COFDM :

4.5.1. Difficultés de la diffusion par voie hertzienne

Transmettre un multiplexage de programme numérique par voie hertzienne n’est pas chose

aisée. En effet, la multiplicité des obstacles entraîne de nombreux retards (ou déphasage) et

affaiblissements des signaux émis. Il faut discerner deux phénomènes : le brouillage inter-

symbole et le brouillage intra-symbole. Le premier correspond à un retard supérieur à une

période de symbole (le symbole est un ensemble d’informations) et le deuxième à un retard

inférieur à un période.

Donc, cela implique qu’il faut réduire le débit de la porteuse unique correspondant à un canal

de fréquence. Les informations susceptibles d’être acheminées par une porteuse unique sont

dès lors limitées en cas de trajets multiples.

4.5.2. Pourquoi la modulation COFDM ?

L’idée générale de la modulation COFDM est alors de diviser ce canal de fréquence en

plusieurs flux parallèle de débit moins élevé acheminé chacun par sa propre porteuse. En plus

de cela, on ajoute au signal une durée de temps mort appelé intervalle de garde.

L’utilisation d’un très grand nombre de porteuses est une perspective presque Il est

heureusement simple de résoudre ces problèmes en spécifiant un espacement rigoureusement

régulier de f u = 1/T u entre les porteuses, où T u est la période (utile ou active) du symbole

pendant laquelle le récepteur intègre le signal démodulé. Les porteuses forment alors ce que

les mathématiciens appellent un ensemble orthogonal. Celui-ci est illustré par les schémas ci-

dessous.

Division d’un canal de

fréquence en espace

orthogonal

(division :Tu,Fu=1/Tu)

Placement des symboles pour

chaque porteuse



40

De plus, dans cette modulation COFDM, il existe des porteuses pilotes de synchronisation

(d'amplitude supérieure aux porteuses de données utiles) qui sont insérées pour faciliter le

travail du récepteur. Le placement de ces porteuses est le suivant :

Place des porteuses pilotes

(en clair)

4.5.3. Conclusion

Cette présentation est une explication très simpliste de la modulation COFDM. Elle permet

néanmoins de comprendre les problèmes rencontrés pour la mise en place de la TNT et de

s’apercevoir que le domaine de la transmission numérique est un monde en pleine expansion

et vraiment passionnant. Egalement, il est maintenant possible de comprendre la signification

du sigle COFDM : Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex.

V. Conclusion

Tout au long de cette étude, nous avons parlé de traitement numérique pour cause, certaines

méthodes font appel à des opérations mathématiques si complexes qu’il serait difficile de les

effectuer de façon analogique. Les différents principes développés précédemment dans ce

dossier sont la base du traitement numérique de l’information mais nous ont tout de même

permis de mettre en œuvre les différentes parties fondamentales ainsi que d’obtenir une

approche plus globale et concrète de ce qu’est le traitement numérique de l’information.

Ceci étant, le traitement du signal est une discipline indispensable que tout ingénieur doit

connaître au moins dans ses grandes lignes.

L’amélioration des performances des systèmes au cours des 20 dernières années est due pour

la plus grandes parties à l’application des techniques de traitement de signal plutôt qu’au

perfectionnement du matériel, comme dans le domaine des télécommunications ou même de

la vidéo.



41

ANNEXE 1

Bibliographie : - Bibliothèque de l'Université de Montpellier II.

- Isabelle Jelinski

Toute l'électronique du premier cycle.

Signaux et systèmes numériques, Filtres et modulation. (Vuibert Supérieur).

- Hwei P. Hsu

Communications analogiques et numériques. Cours et problèmes.

Série Schaum.

- Jacques Hervé

Electronique pour les transmissions numériques.

Ellipses.

- Cours de BTS électronique et de licence EEA.

- Les sites internet sur la TNT :

http://www.tvnt.net/tvnumerique_05.htm

http://iphilgood.chez.tiscali.fr/Transmission/COFDM.htm

http://www.ebu.ch/trev_278-stott_f.pdf

http://www.tdf.fr/publications/publications.php4?rID=250&rpID=248

http://iphilgood.chez.tiscali.fr/



42

ANNEXE 2

Sujets des TP :

MODICOM 3 : Modulation par impulsions codées

MODICOM 1 : Echantillonnage

MODICOM 2 : Multiplexage

MODICOM 5 : Modulations ASK, FSK, PSK et MPD4

université montpellier ii traitem ent num erique du · fe ≥ 2.f max du signal analogique ... la...

Documents