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Modems analogiques

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A quoi sert exactement un MODEM ANALOGIQUE ?

Historique

L'usage intensif de la numérisation de documents de toutes sortes débuta vers les années 1980.
Le besoin se fit soudain sentir d'échanger des données binaires entre établissements bancaires,
industriels, puis entre particuliers avec 'feu' "Minitel".

Mais, pour les transporter, les seules lignes existantes qui maillaient tout le territoire
étaient les lignes téléphoniques.
Voir la page sur la description de la téléphonie analogique POTS ici :



Les courbes représentant
les sons et celles représentant les tensions en ligne ont une forme analogue.
C'est d'ailleurs là l'origine du mot "analogique" !

Or ces lignes avaient été faites pour transporter des signaux électriques analogues au sons audibles.
Elles ne convenaient pas pour transporter des signaux numériques très différents come nous allons le voir!

Différence entre "signal analogique" et "signal numérique" ? Cliquez sur cette boule :

Force fut alors d'interposer entre les équipements devant fournir ou recevoir des flots de données numériques
et la ligne téléphonique
un appareil permettant de faire la conversion dans les deux sens
: un MODEM.


Les signaux numériques


Le signal numérique le plus simple ()
est une suite d'états électriques correspondant aux états binaires 0 et de 1

Comme celui-ci :

Ce type de signal "passait mal" tel quel sur ces lignes analogiques.
De nombreux dispositifs de traitement électrique du signal téléphonique en ligne
(capacités, inductances, bobines de PUPIN pour en augmenter la portée)
mettaient à mal ce type signaux de basse fréquence (quelques kbit/s à cette époque)
et présentant des transitions brutales comme ceux représentés ci-dessus.

Alors on eut recours à la modulation.

Mais qu'est-ce qu'une "modulation" ?

Modulation

Ici, je vais en donner ici une définition provisoire de circonstance,
une solution "parlante", certes,
mais qui mériterait d'être généralisée, précisée et complétée.

Plusieurs pages de ce site décrivent la plupart des modulations utilisées dans les transmissions numériques,
en començant par :

Puisque le téléphone est fait pour transmettre la voix et les sons audibles,
transformons les niveaux binaires en fréquences audibles !

Exemple de la modulation dite FSK

SFK Shif Frequency Keying.
(Shift : déplacement, glissement - Keying : codage)
Codange par variation de fréquence.

Certains le qualifient de "Modulation de Fréquence".


Principe
Nous convenpns de réprésenter :

  • un bit à 1 par l'émission d'une fréquence f1 d'une certaine durée T
  • un bit à 0 par l'émission d'une fréquence f2 de même durée T

Mettons f1 =500 Hz ; f2 = 1 kHz ; toutes deux audibles
donc "passant correctement" sur le réseau téléphonique.


Les fréquences f1 et f2 (normalisées) sont choisies à l'intérieur de la bande passante
d'une ligne téléphonique standard.
Cette bande passante standard s'étendant de 300 Hz à 4 kHz.

Les fréquences utiliées par les modems commerciaux se situent généralement entre 300 Hz et 3200 Hz.

Principe des MODEMS

MODEM = MODulateur DEModulateur

MODULATEUR
Dans le cas où on choisit la modulation FSK (mais ce n'est pas la seule possible),
un dispositif électronique interne assure la conversion tension-fréquence.

Lorsqu'on lui applique un niveau logique haut du signal, il génère une fréquence (basse par convention).
Pour un niveau bas du signal à transmettre, il génère une autre fréquence (haute par convention).

Ces fréquences sont choisies dans la bande des sons audibles (audiofréquences)
Elles passeront tout naturellement des lignes construites pour cela.
Ce dispositif s'appelle le MODULATEUR.

Ce mot vient du latin (langue mère du français), "Modulor"
qui signifiait "chanter des vers en cadence".
Le modem chante bien les bits en cadence !

D'ailleurs on pouvait jadis entendre ce "chant" au début de la connexion.
Hélas, il est bien moins mélodieux que celui des sirènes de Virgile !

DÉMODULATEUR
Bien entendu, un modem est aussi fait pour recevoir des transmissions numériques
provenant d'un ordinateur à l'autre bout du réseau
sous forme des fréquences générées par le modulateur du modem distant.

Un dispositif interne analyse le signal reçu, détecte les deux fréquences,
les transforme en niveaux logiques et les envoie à l'ordinateur récepteur.
C'est le DEMODULATEUR.

Bien enendu, les deux modems connectés aux deux bouts de la ligne doivent avoir les mêmes
caractéristiques si on veut qu'ils se comprennent.
Par exemple les mêmes fréquences pour représenter les niveaux logiques,
le même type de modulation, les mêmes vitesses de transmission en bit / s.
C'est pourquoi il a été fixé des normes strictes aux constructeurs.

Ce type de modem est dit "analogique"
du fait qu'il traite des signaux analogiques sur des lignes faites pour signaux analogiques.
Mais en fait c'est un appareil dont l'électronique tient à la fois de l'analogique et du numérique.


Bande de Base

Peut-on faire passer convenablement un signal sur une ligne quelconque ?

La condition est que les différentes harmoniques utiles du signal
soient incluses dans la bande passante de cette ligne.

C'est le cas dans la figure ci-dessous.

Si ces conditions sont réunies, on dit que la transmission se fait en bande de base.

Or, quelle est la bande passante d'une voie téléphonique normale ?
Réponse : 0 à 4 kHz en théorie, 300 Hz à 3200 Hz en pratique.
( Vous pouvez voir les principes de la téléphonie au lien : ).

Forme générale des signaux numériques à transmettre ( il s'agit toujours des modems analogiques pour RTC ):

RZ = signal dit "retour à zéro" ; NRZ = non retour à zéro.

A 56 kbit/s (débit binaire des modems de l'époque)
ce signal sortirait totalement de la bande allouée à celui de la voix téléphonique (300-3200Hz).
Et ne parlons pas des innombrables harmoniques élevées générées par les flancs de transition !

On ne peut donc pas transmettre un signal numérique directement sur les réseau RTC .
C'est d'ailleurs la raison pour laquelle on a fabriqué des modems.

Mais...

Il y a bien une portion du circuit où ces signaux numériques non modulés (RZ ou NRZ ci-dessus)
sont obligés de franchir une ligne de transmission non?

  • A l'emission, l'ordinateur fournit les signaux numériques à émettre, de type RZ ou NRZ au modem
  • A la réception, le modem fournit les signaux numériques de type RZ ou NRZ reçus, à l'ordinateur.

Un câble relie donc forcément l'ordinateur au modem.
On l'appellait jadis simplement "la jonction".
Ce câble, très court, a une bande passante considérable.
Les signaux précédents y transitent sans problème en bande de base.
Voir le montage sur la fig. en bas de page.


Retenons :
On ne peut donc pas transmettre un signal numérique
en bande de base sur une boucle terminale d'abonné au RTC



Débit binaire et Rapidité de modulation.
Bits par seconde et BAUDS
Valence d'un SYMBOLE

Le lecteur de revues ou de notices techniques traitant de transmissions numériques
a sans doute noté qu'on évalue en bits par seconde, le débit binaire d'une ligne de transmission numérique.
Mais que parfois une grandeur nommée "rapidité de modulation" est évaluée en Bauds.

Quelle est la différence ?

Vous trouverez une information complète sur ce thème
et dans ce même site ici :


Sinon, en bref :

Symboles

La transmission de valeurs binaires,
se fait par des signaux en ligne de formes très diverses selon le type de codage adopté.
Chacune des "formes" symbolise un bit ou plus généralement un groupe de n bits.
On les appelle des symboles.

La durée d'exposition en ligne de chaque symbole est la même (mettons T) pour tous.
Ils sont envoyés en ligne de manière continue sans intervalle entre eux
.

Rapidité de modulation

C'est l
e nombre de symboles transmis par unité de temps.
Il s'évalue en Baud (Bd.) ,
1 Bd correspond à 1 symbole par seconde.
Unités dérivées plus habituelles : MB GBd

Valence
(d'un symbole)

Si les symboles utilisés sont au nombre de deux,
suffisamment différents pour qu'on puisse les distinguer à la réception,
on ne pourra transmettre qu'un seul bit (soit 0 soit 1) par symbole.
On dit que ce type de symbole a une valence de 2. (Bi-valent)

Si on parvient à trouver de multiples symboles différents,
(rappelons que les symboles sont des formes particulières de signal)
on pourra distinguer plusieurs états que l'on pourra faire correspondre,
cette fois, à des groupes de bits)

Exemple : si j'ai quatre symboles différents à ma disposition (Valence = 4)
je pourrai attribuer à chacun une valeur binaire de 2 bits :
soit 00, soit 01, soit 10, soit 11.

Un symbole de valence 4 transporte donc 2 bits simultanément.

Nombre de bits
transmis simultanément
Valence
1
2
2
4
3
8
4
16
5
32
n
.

Un symbole transmettant n bits simultanément a donc une valence de .

Relations entre valence et nombre de bits transmis simultanément :



Des doutes mathématiques ? ... ... Alors, pointez ici :

Débit binaire

Un symbole de valence V peut afficher un mot de n bits simultanément.
Avec la relation déjà vue plus haut :


Appelons R la rapidité de modulation (nombre de symboles par unité de temps).
Chaque symbole transmet n bits.


Le débit binaire D est le nombre de bits transmis par unité de temps (seconde).
D'où :

Questions ?

- Q1°-
A quelle condition le débit binaire et la rapidité de modulation se mesurent par le même nombre ?
Réponse : Balayez la pastille :



- Q2°-
Modulation ASK
( Amplitude Shift Keyed - Modulation par écarts d'amplitude)

Principe :
Un signal sinusoïdal à fréquence fixe f peut présenter quatre amplitudes et quatre seulement.
Chacune de ces amplitudes est conventionnellement représentative, non plus d'une valeur binaire 0 ou 1,
mais de deux valeurs binaires simultanément :
par amplitudes croissantes : 00 01 10 11 comme le montre la fig.

Calculez la rapidité de modulation et le débit binaire dans le cas de la fig. ci-dessous,
si la sinusoïde modulée en amplitude a pour fréquence 3 kHz.
Réponse en balayant ici :

- Q3 °-

Prenons maintenant ce type de modulation FSK.
( Fréquency Shift Keyed - Modulation par écarts de fréquence)


Représentation des états :

Fréquence f1. Basse pour niveau binaire haut.
Fréquence f2. Haute pour niveau binaire bas.

L'intervalle T d'exposition des symboles peut porter une période de f1 ou deux périodes de f2

Mettons f1 = 1 kHz.

  • Rapidité de modulation ?
  • Débit binaire ?
  • Valence ?

Réponses ici :


Quelques exemples de signaux transmettables en bande de base





Autres types de modulations


La modulation FSK a été la toute première utilisée en transmission numérique,
mais eu fur et à mesure quel les débits binaires étaient sommés d'augmenter
pour satisfaire à l'hallucinante croissance infinie tous azimuts...

Il a fallu trouver mieux !

Les modems analogiques du commerce sont parvenus à des vitesses de 56 kbit /s
et même supérieures.

Ces résultats limites on pu être obtenus grâce à des procédés de modulation très sophistiqués combinant :

  • La modulation de phase.

  • La modulation d'amplitude en quadrature QAM
    (combinant les sauts de phase et les sauts d'amplitude).

  • La modulation en treillis.

Les modems analogiques ont atteint leur plafond, insuffisant pour le haut débit d'Internet.
Pour augmenter le débit, il a fallu disposer de la bande passante supraphonique
des lignes téléphoniques d'abonné.

Ces lignes sont en effet capables des passer des fréquences
bien au delà du canal voix (0,3 - 3,2 kHz).

Ce furent les centraux téléphoniques qui limitent un temps le canal voix à cette valeur étroite.

Avec de nouveaux équipements dans les centraux, un nouveau réseau en somme,
il est devenu possible d'exploiter ce supplément considérable de bande.
C'est l'ADSL dont nous parlons dans un chapitre à part. Lien
:


La connexion ordinateur - modem - RS 232 -

La liaison modem-ordinateur se fait en bande de base.
Ce qui signifie que les signaux binaires à deux niveaux logiques circulent
entre ordinateur et modem sur des câbles dits de JONCTION.


.

Cette jonction est plus complexe qu'il n'y paraît.
Les tensions en ligne sont normalisées et assez différentes de celles qui représentent
les niveaux logiques dans l'ordinateur.
Par ailleurs, les bits sont cadencés à des fréquences fixes normalisées (mesurées en Bauds).
Le message numérique est découpé en "mots" (généralement de 8 bits) envoyés séquentiellement.
Les "mots" sont séparés par des bits de synchronisation.

Ce mode de transmission local en bande de base s'appelle la
TRANSMISSION SERIELLE ASYNCHRONE
Elle est l'ancêtre de l'USB (Universal Serial Bus)

Il a été quasi universellement utilisé pour relier des machines numériques
aussi diverses que les premières consoles, aux ordinateurs centraux (temps d'UNIX),
les consoles boursières aux réseaux bancaires, l
les liaisons d'automates programmables à leurs consoles de programmation ou des capteurs sophistiqués,
la connexion clavier-ordinateur, la connexion souris-ordinateur,
etc...

Le fonctionnement du standard sériel asynchrone ainsi que son implémentation RS232
sont expliqués en détail au lien :

 

Autres pages du consacrées à divers autres tupes de modulations
Modulation d'amplitude - Bandes latérales
Modulation d'amplitude à porteuses en quadrature QAM Quadrature Amplitude Modulation
Modulations composites Amplitude - Phase - xQAM -
DMT Discrete Multitone Modulation - DWMT Discrete Wavelet MultiTone
Lignes numériques d'abonné - DSL - Digital Subscriber Lines, ADSL etc...


  
   
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