La modulation du signal

Un signal, dans le contexte des réseaux, est une forme d’information qui se déplace à travers un média, que ce soit un câble ou l’air. Il nécessaire de comprendre les caractéristiques fondamentales des signaux pour saisir comment les informations sont transmises et reçues dans un réseau. Les signaux peuvent se présenter sous deux formes principales : analogique et numérique.

Un signal analogique est une onde continue qui change de manière fluide et constante sur une période. Imaginez les vagues de l’océan, ondulant et se déplaçant sans interruption; c’est une analogie du signal analogique. Ces signaux peuvent prendre une infinité de valeurs à un moment donné, ce qui les rend parfois vulnérables à des perturbations, comme le bruit. Cela dit, les signaux analogiques restent toujours utilisés dans certains contextes, notamment dans la radio FM.

En revanche, un signal numérique est discret, se présentant sous forme de séquences d’impulsions ou de valeurs spécifiques, généralement représentées par des “0” et des “1”, appelées “bits“. Ces bits sont les unités fondamentales de l’information dans les systèmes numériques. Contrairement aux signaux analogiques, les signaux numériques ont une forme définie et limitée, ce qui peut les rendre plus résistants aux petites perturbations ou au bruit.

Le terme « symbole » en communication fait référence à une unité distincte de transmission qui représente un ou plusieurs bits d’information. Imaginez que vous avez un alphabet de signaux, où chaque “lettre” de cet alphabet est un symbole. Chaque symbole représente une certaine combinaison de bits. Lorsque nous envoyons des informations sur un média électrique, nous utilisons des tensions pour représenter nos bits d’information. Par exemple, une tension élevée pourrait représenter un “1” et une tension basse un “0”. Cependant, au lieu de toujours envoyer une haute tension pour “1” et une basse tension pour “0”, nous pourrions utiliser des combinaisons de tensions pour représenter des symboles. Ces combinaisons pourraient correspondre à différents niveaux de tension ou à des changements de tension sur le câble.

Le grand avantage de cette approche est qu’en utilisant des symboles pour représenter des combinaisons de bits, nous pouvons transmettre plus d’information avec moins de changements de signal, ce qui peut augmenter l’efficacité de notre transmission sur le média. Cependant, cela peut également rendre le système plus complexe, car le récepteur doit être capable de différencier et d’interpréter correctement chaque niveau de tension ou transition comme le symbole approprié.

Enfin, la vitesse de transmission se rapporte à la rapidité avec laquelle l’information est transmise sur le réseau. Il y a deux concepts principaux ici : le bitrate et le baudrate. Le bitrate est la vitesse à laquelle les bits sont transmis, généralement mesurée en bits par seconde (bps). D’un autre côté, le baudrate mesure le nombre de symboles transmis par seconde. Dans des systèmes simples, un symbole peut ne représenter qu’un bit, rendant le baudrate égal au bitrate. Cependant, des techniques plus avancées peuvent représenter plusieurs bits avec un seul symbole, mais nous aborderons cela plus tard.

Face à l’ère digitale dans laquelle nous évoluons, une compréhension approfondie des signaux, qu’ils soient analogiques ou numériques, est impérative. Ils constituent l’épine dorsale des communications modernes, facilitant les interactions, le commerce, les divertissements et bien plus encore. La manière dont nous codons, transmettons et interprétons ces signaux est un reflet de notre maîtrise technologique.

Moduler le signal analogique

Lorsqu’on parle de communication, il est fondamental de comprendre comment les informations ou les données sont transmises d’un endroit à un autre. C’est ici qu’entrent en jeu les caractéristiques des signaux et, en particulier, la modulation. La modulation est une technique utilisée pour adapter les données à la transmission sur différents types de médias.

La communication entre deux dispositifs se réalise grâce au transfert de signaux électriques ou optiques. Ces signaux peuvent varier de plusieurs manières pour représenter les informations qu’ils portent, et ces variations sont ce que l’on appelle la “modulation”. En termes simples, la modulation est l’art de modifier un signal de base, appelé “porteuse”, de façon à y incorporer des informations.

Il existe principalement trois types de modulations : la modulation d’amplitude (AM), la modulation de fréquence (FM) et la modulation de phase (PM). Chacune a ses propres avantages et inconvénients en fonction de l’application et des conditions de transmission.

• Modulation d’amplitude (ASK) : Dans cette méthode, l’amplitude de la porteuse est modifiée en fonction de l’information à transmettre. La fréquence et la phase de la porteuse restent inchangées. L’avantage principal de la modulation d’amplitude est sa simplicité. Cependant, elle est plus sensible aux bruits et interférences, ce qui peut réduire la qualité de la transmission, surtout sur de longues distances. Dans le schéma ci-dessous, on peut observer que les colonnes qui correspondent aux bits marqués comme ‘1’ présentent une amplitude supérieure par rapport aux autres colonnes.
• Modulation de fréquence (FSK) : Ici, c’est la fréquence de la porteuse qui est modifiée en fonction de l’information. L’amplitude et la phase restent constantes. La modulation de fréquence est utilisée par la radio FM en raison de sa résistance au bruit. Elle offre généralement une meilleure qualité de son par rapport à la modulation d’amplitude, mais nécessite une bande passante plus large. Dans le diagramme présenté, on remarque que les colonnes associées aux bits à ‘1’ présentent une fréquence supérieure en comparaison aux autres colonnes.
• Modulation de phase (PSK) : Dans cette technique, la phase de la porteuse est modifiée selon l’information à transmettre. Elle est souvent utilisée dans les transmissions numériques et est connue pour sa capacité à transmettre des données à des débits élevés avec une fiabilité élevée. Cependant, contrairement aux autres techniques qui peuvent être effectuées plus simplement, la démodulation de la phase nécessite un traitement plus complexe. La détection directe des changements de phase est plus difficile et nécessite souvent une référence cohérente. Cela rend les récepteurs PM plus complexes et potentiellement plus coûteux que certains autres types de récepteurs. Le schéma illustre un décalage de phase dans les colonnes associées aux bits marqués comme ‘1’ par rapport aux autres colonnes. Ce décalage est plus perceptible en notant que le symbole démarre en haut pour un bit ‘1’ et en bas pour un bit ‘0’..

La modulation avancée

La modulation est fondamentale pour la communication. Elle permet de convertir et d’adapter nos informations numériques à une forme adaptée pour la transmission sur divers médias. Cependant, à mesure que nous avons cherché à augmenter la quantité d’informations transmises, des techniques de modulation plus avancées ont été développées.

L’encodage de plusieurs bits avec un seul symbole est une technique avancée. À la différence de la modulation simple où un bit est représenté par un unique symbole, ici, plusieurs bits sont regroupés pour être représentés par un symbole unique. Cette méthode permet d’augmenter significativement le débit de données sans qu’il soit nécessaire d’augmenter la bande passante de manière proportionnelle. Prenons un exemple : si on utilise une technique encodant 2 bits par symbole, un symbole unique pourra représenter ’00’, ’01’, ’10’ ou ’11’. Pour atteindre cet objectif, on peut combiner différentes techniques de modulation. Dans notre exemple, nous associons la modulation d’amplitude à la modulation de fréquence.

1 bit par baud

2 bits par baud

Une des techniques avancées de modulation largement utilisées dans les communications numériques est la modulation par amplitude en quadrature, connue sous l’acronyme QAM. Cette méthode ingénieuse combine deux types de modulations : la modulation d’amplitude (ASK) et la modulation de phase (PSK). Le résultat est une représentation sur un plan bidimensionnel, où chaque point est unique. Cette représentation est souvent désignée sous le terme de “constellation”. La position de chaque symbole sur ce plan est déterminée par deux composantes : son amplitude et sa phase. On peut visualiser cette constellation à l’aide d’un graphique où l’axe vertical représente l’amplitude et l’angle par rapport à l’origine indique la phase du symbole.

Ainsi, en variant simultanément l’amplitude et la phase, le QAM permet de transmettre une plus grande quantité d’informations en une seule période de signal par rapport à l’ASK ou le PSK utilisés séparément. Par exemple, dans la modulation 16-QAM, chaque symbole peut représenter 4 bits d’information. Plus le nombre de points dans la constellation est élevé, plus la quantité d’informations que chaque symbole peut représenter est grande. Prenons un exemple illustratif : nous considérons deux représentations d’une constellation 16-QAM. Dans la première représentation, le signal reçu par le récepteur est légèrement perturbé par le bruit. Malgré la dispersion observable du signal, ce dernier est clairement identifiable. Cependant, sur le second schéma où le niveau de bruit est plus élevé, la dispersion s’accroît. Toutefois, malgré cette perturbation, les bits encodés demeurent lisibles.

16 QAM – bruit faible

16 QAM – bruit fort

Il est important de noter que l’encodage de davantage de bits dans un unique symbole rend le signal modulé plus sensible aux interférences et au bruit. Dans le cas où le niveau de bruit est identique à celui observé avec le 16-QAM, la lecture des bits devient déjà plus complexe en raison de la proximité accrue des points dans la constellation. Cependant, il n’y a pas d’erreur manifeste à relever. En revanche, avec un niveau de bruit plus élevé, des erreurs apparaissent clairement. Dans cette situation, certains bits peuvent être mal interprétés à cause du bruit, entraînant ainsi des erreurs de transmission.

64 QAM – bruit faible

64 QAM – bruit fort

En d’autres termes, augmenter le nombre de bits par symbole rend la distinction entre les symboles d’autant plus complexe. Ainsi, si les techniques de modulation avancées permettent d’augmenter la capacité de transmission de données, elles exigent aussi des équipements plus précis et une meilleure gestion du bruit. Les ingénieurs réseau sont donc confrontés à un équilibre entre la recherche d’une plus grande capacité de transmission et la nécessité d’assurer une communication fiable, surtout dans des environnements fortement sujets aux interférences.