Vous êtes ici : Accueil Glossaire / Le codage

Bienvenue dans la technologie xDSL

Les techniques de multiplexage, modulation et codage

Multiplexage

L'un des problèmes de la transmission haut débit est l'interférence entre les signaux émis et reçus, si ceux-ci sont situés sur la même bande de fréquences. De plus, l’ADSL utilise une bande passante en ligne très supérieure à la bande téléphonique [0, 4 kHz].
Deux solutions peuvent être utilisées pour minimiser cette interférence et assurer une communication bidirectionnelle sur la ligne d’abonné :
- Le multiplexage en fréquence FDM
(Frequency Division Multiplexing)
- L’annulation d’écho EC (Echo Cancellation)

Multiplexage en fréquence (FDM)

Cette solution consiste à séparer les bandes de fréquences utilisées en réception et en émission. Pour cela on utilise une technique de multiplexage en fréquence. Cette technique n'introduit pas de nouvelles interférences mais utilise une bande passante plus large ce qui diminue la distance maximale de transmission. Les bandes [20 kHz, 140 kHz] et [150 kHz, 1 100 kHz] sont respectivement utilisées pour les flux de données montants et descendants.

Multiplexage à annulation d'écho (EC)

L’annulation d’écho permet de véhiculer les flux de données montants et descendants dans la même bande de fréquence. La bande [20 kHz, 130 kHz] est utilisée par les flux montants et descendants, la bande [130 kHz, 1 100 kHz] étant réservée au seul flux descendant.
L’EC autorise des débits plus élevés pour le flux descendant que dans le cas du FDM.
Par contre l’EC est plus sujette à la paradiaphonie. A l’initialisation, le modem doit passer par une phase d’apprentissage de la qualité de la ligne qui consiste à mémoriser l’amplitude de l’écho local en fonction de la bande de fréquence d’émission.

Modulation et Codage

La transmission ADSL se fait en bande de base pour cela les techniques de codage et modulation sont étroitement liés. Les termes de codage et modulation peuvent être indifféremment utilisés.
Il existe différentes façons de traiter la porteuse HF, en fonction de la donnée à transmettre ; dans le cas de l'ADSL on utilise, une des deux techniques :
- CAP (Carrier Amplitude/Phase modulation)
- DMT (Discret Multitone Modulation)
Ces techniques utilisent une modulation en phase et en amplitude (QAM). Elles sont apparues en complément au codage 2B/1Q utilisé notamment pour le RNIS.

Codage 2B/1Q

Cette technique de codage est apparue pour permettre d'augmenter la distance maximale de transmission nécessaire pour l'introduction du réseau RNIS.
Ce codage 2B/1Q fait correspondre à un groupe de deux éléments (2bits: 2B) un créneau de tension, dit symbole quaternaire (1Q), pouvant endosser quatre valeurs différentes. Ce mode de codage est utilisé pour l'HDSL avec une vitesse de modulation de 584000 bauds/s soit un débit supérieur à 1Mbits/s.
Cependant, ce codage est à bande de base (transmission à partir de 0 Hz), ce qui ne permet pas l'utilisation simultanée du transfert de données et du service téléphonique (300-3400Hz).

Modulation QAM (quadrature Amplitude Modulation)

La modulation mono-porteuse QAM consiste à associer à toute suite de n bits appelée symbole un point particulier au sein d’une constellation.
Cela correspond à une combinaison d'une modulation de phase et d'amplitude, ceci afin d'augmenter le nombre d'état par symbole.
La porteuse est transmise en ligne avec le signal modulé, la démodulation se faisant au niveau du récepteur. Cette technique pose certaines difficultés dues à la distorsion de phase de la porteuse inhérente à la propagation.
La figure, ci-dessous représente la valeur binaire associée à chaque point d’une constellation 16-QAM utilisée dans les modems V32.

La figure, ci-dessous affiche les différentes modulations QAM qui sont utilisées par les modems ADSL. (4-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM)

A la différence du codage 2B/1Q, les code CAP et DMT, dérivés du QAM, sont typiquement passe-bande et peuvent opérer sur une bande de fréquence spécifiée.
Ceci va permettre de séparer les canaux réservés à la ligne téléphonique, la réception et l'émission de données.

Modulation CAP (Carrierless Amplitude/Phase modulation)

En parallèle au développement du codage 2B/1Q, une entreprise américaine AT&T/Paradyne a développé le CAP.
Le codage CAP utilise une porteuse unique. La porteuse modulée est supprimée avant la transmission, d'où le qualificatif de carrierless, puis reconstruite par le modem récepteur.
Cette technique est très semblable à la Modulation d'Amplitude en Quadrature (QAM) mais n'utilise pas la transposition en fréquence. De ce fait, elle est purement numérique et est implémentée avec des processeurs DSP qui réalisent le traitement numérique du signal.
La bande passante disponible est divisée en trois canaux par un multiplexage FDM.

Les canaux montants et descendants ne sont pas subdivisés en canaux plus étroits.
Toute dégradation du rapport signal sur bruit S/B dans une bande de fréquence donnée, perturbe la qualité de l’ensemble du canal donc réduit la capacité globale de l’accès. Cette diminution de la capacité revient à diminuer d’un bit la taille du symbole de la constellation, c’est à dire à réduire par deux les performances.

Constellation

2n

Nbre de bits/bauds

2-CAP

21

1

4-CAP

22

2

8-CAP

23

3

16-CAP

24

4

32-CAP

25

5

64-CAP

26

6

128-CAP

27

7

256-CAP

28

8

512-CAP

29

9

Les émetteurs-récepteurs CAP peuvent utiliser des constellations multiples créant 2n valeurs. N peut varier de 2 à 512 en fonction des caractéristiques de la ligne utilisée. On parle alors de N-CAP (2-CAP, 64-CAP,…512-CAP). Cette capacité à changer la taille des constellations, est utilisée par CAP pour s'adapter aux caractéristiques de la ligne.
La période symbole du système CAP mono-porteuse est petite. En effet, la rapidité d’un modem CAP est de 1 024 kHz. Ce qui est pénalisant, par rapport à la durée d’un bruit impulsif qui serait égal ou inférieur à 500 µs.

Modulation DMT (Discret Multitone)

DMT a été adopté comme Norme par l'ANSI et par l'ETSI (Institue Européen de Normes de Télécommunications), ce qui permet une plus grande inter-opérabilité entre les équipements des différents constructeurs et le développement de l'ADSL.
La technique consiste à partager la bande passante disponible en un nombre élevé de canaux. Ces canaux reçoivent une modulation de type QAM et sont transmis en parallèle. Cette technique multi-porteuses nécessite de forts traitements numériques et n'a donc vu le jour qu'à partir du moment ou les DSP sont devenus abordables en matière de coûts.

La norme ADSL spécifie l'utilisation de 256 sous-canaux, chacun des sous-canaux ayant une largeur de 4, 3 125 KHz, soit une largeur de bande globale de 1 104 kHz.
Le sous-canal 1 est réservé au canal téléphonique analogique.
Les sous-canaux 2 à 6 sont réservés à la signalisation du canal téléphonique et servent de bande de garde avec les sous-canaux ADSL.
250 sous-canaux sont utilisés pour transporter le flux ADSL, sur une bande utile qui s’étend de 25 kHz à 1,1 MHz. La bande de garde entre 2 sous-canaux est de 300 Hz.
Chacune des porteuses peut être modulée de 0 à 15 bits/s par HZ, ce qui permet un débit de 64 Kbps pour chacun de ces canaux de transmission.

DMT alloue les données de manière à optimiser le débit de chaque canal c'est à dire d'adapter la transmission aux caractéristiques de la ligne téléphonique.
Le nombre de bits portés sur chaque porteuse est variable, parce que les capacités internes de transport de chaque porteuse varie en fonction de leur fréquence.
Plus la fréquence est élevée, et plus l'atténuation est importante, permettant aux fréquences les plus basses de transmettre le plus d'informations. De plus, on fait varier le nombre de bits par porteuse en fonction des conditions de transmission, en plaçant un nombre plus important de bit sur les canaux les plus robustes.
Ainsi, pour éviter les perturbations dues au bruit ou les interférences radio il suffit de coder plus ou moins de bps/Hz sur les porteuses.
Principe de l’allocation de capacité des sous-canaux correspondant au rapport signal sur bruit. Cette adaptation s’effectue sur les 250 canaux.

Un modem DMT évalue en permanence la qualité de ligne, ce qui lui permet de recalculer dynamiquement la capacité optimale en bit/s par Hertz à affecter à chaque sous-canal.

Codage de Reed-Solomon

La transmission d'informations numériques sur de longues distances est toujours entachée d'erreurs de transmission. Quand l'apparition de ces erreurs est jugée trop importante vis à vis du service attendu et de la sûreté de fonctionnement exigée pour le système, on ajoute de la redondance; celle-ci permet, à la réception de détecter, puis corriger toutes les erreurs de certains types. Les codes de Reed-Solomon représentent une catégorie très importante de codes en bloc cycliques permettant de corriger des erreurs isolées ou des paquets d'erreurs. Ces codes s'appuient sur les structures mathématiques que sont les corps de Galois ; ils sont caractérisés essentiellement par le polynôme générateur du corps choisi, par le polynôme générateur de code et par la capacité de correction. Pour les modems ADSL, ce code est noté RS(240,224,t=8), ce qui veut dire 224 octets en entrée, 240 en sortie du codeur et 8 octets sur 224 peuvent être corrigés. C'est un code en bloc qui va ajouter 16 octets de redondance derrière les 224 octets de charge utile. Si plus de 8 octets sont détectés comme erronés, le bloc de données utiles est marqué comme défectueux.

Imaginons un bloc de 3 octets de long et que l'on transmet:

03. 10. 15.

Deux octets de redondance sont rajoutés.

Le premier est la somme de nos trois données soit 28

Le deuxième est la somme pondérée des 3 octets. Chaque octet est multiplié par son rang : 3*1 + 10*2 + 15*3 soit 68.

Notre bloc à la sortie du codeur devient donc :

03. 10. 15. 28. 68.

Après transmission et perturbation, le récepteur reçoit le bloc :

03. 12. 15. 28. 68.

On refait la somme simple 03+12+15=30 et la somme pondérée 3*1 + 12*2 + 15*3=72.

La différence des sommes simples (28-30) nous donne la valeur de l'erreur et la différence des sommes pondérées divisée par l'erreur est égale à au rang de l'erreur ((72-68)/2=2).

Nous pouvons corriger notre paquet.

Codage convolutif

Le codage convolutif associé à un décodage par l'algorithme de Viterbi est une technique de codage correcteur d'erreurs très répandue dans les systèmes de transmissions numériques actuels. Ce type de codage est, en effet, spécifié dans de nombreuses applications, aussi bien du domaine audio et/ou vidéo telles le GSM (téléphonie mobile), l'ADSL, la télévision numérique terrestre ou par satellite (normes DVB-T et DVB-S).
Dans le modem ADSL, ce deuxième codage dit « interne » sert à consolider encore plus les données issues du codeur de Reed-Solomon. Le codeur convolutif ou codeur en treillis s’applique à la constellation mise en œuvre par l’étage de modulation.
- Dans le cas, d’une modulation CAP, il n’y aura qu’un seul codeur convolutif.
- Dans le cas, d’une modulation DMT, plusieurs codeurs convolutifs sont appliqués pour chacune des constellations associées aux N sous-canaux d’un modem DMT.

Côté terminal                                                                                                                        Côté ligne

Le schéma ci-dessus représente les différents étages fonctionnels de la chaîne de transmission d’un modem ADSL 

La supertrame et la trame ADSL

La supertrame ADSL se compose de 68 trames de données numérotées de 0 à 67.
Cette supertrame se termine par l’ajout d’un symbole de synchronisation de même durée qu’une trame de données.

Trame 0 bits 0-7 => bits de correction d’erreurs pour les données Fast Data.
Trame 1 bits 0-7
=> Operation And Maintenance pour les données Fast Data.
Trames 2-33
=> trames « normales ».
Trames 34-35
=> Operation And Maintenance pour les données Fast Data.
Trames 36-67
=> trames « normales ».
Trames 68
=> bits de synchronisation.

La durée totale de la supertrame ADSL est de 17 ms.
La durée d’une trame 17 ms / 68 = 250
µs. Soit 4000 trames /s ou une rapidité de 4 kHz.
Chaque trame de données au sein d’une même supertrame peut contenir des données temps réel ne subissant pas l’entrelacement (Fast Data) et des données non temps réel subissant l’entrelacement (Interleaved Data).
L’entrelacement démontre son efficacité dans le cas d’une ligne bruitée comme le sont dés fois les lignes d’abonné. Cela permet de parer aux phénomènes de salves d’erreurs (bruits impulsifs) dont la durée serait supérieure à 500
µs. Par contre le temps de traitement associé à cette opération est d’environ de 15 à 20 ms. Durée très pénalisante avec les exigences temps réel de certaines applications.


Suite