Préambule

Je subis depuis plusieurs mois d'amicales mais fermes pressions pour m'inciter à rédiger à l'attention de nos amis lecteurs de Contact un article sur l'activité Transmission de Données à TRT. Tel la chèvre de Monsieur Seguin, je me suis arc-bouté et j'ai vaillamment résisté jusqu'à aujourd'hui à ces sollicitations répétées en m'appuyant sur deux arguments que je croyais irréfutables :

1- Ma mémoire qui n'a jamais été excellente ne s'améliore pas avec le temps et je n'ai conservé aucune archive. Je suis donc incapable de reconstruire l'historique même sommaire d'une activité qui a été fertile en événements et en produits.

2- Même en supposant qu'avec beaucoup d'aide de la part de mes anciens collègues, il soit possible de pallier mes insuffisances, qui diable une rétrospective de ce genre pourrait-elle intéresser?

Hélas, nullement découragés, mes tourmenteurs sont revenus à la charge. Pourquoi, me dirent-ils, plutôt qu'un historique général, ne pas se concentrer sur les aspects techniques et novateurs de l'évolution de la transmission numérique en général et des modems en particulier en précisant le rôle que TRT a pu jouer. Voilà qui est de nature à affaiblir mon 1er argument, pour le second, c'est moins sûr…D'autant que la théorie de l'information et le traitement du signal sont des disciplines plutôt abstraites et d'un formalisme qui n'est pas accessible à tous. Libre à chacun de zapper m'a-t-on répondu!

Il arrive un moment où lutter devient plus fatigant qu'obtempérer, et après tout pourquoi ne serait-il pas possible de rendre compte de l'évolution des transmissions de données en langage de tous les jours et en se référant aux connaissances que possèdent tous ceux qui ont comme nous appartenu à une société spécialisée dans les télécommunications. Je me suis donc lancé dans l'aventure et je demande pardon par avance pour les nombreuses erreurs et omissions qu'on ne manquera pas de relever, en particulier dans la chronologie des évènements. Pour un historique précis, je renvoie le lecteur à l'excellent ouvrage "TRT, 1921-1989" de Raymond GUIRIMAND.

 

QU'EST-CE QUE LA TRANSMISSION DE DONNÉES

Il est difficile d'imaginer une appellation moins explicite. Rien n'est plus général que le mot "transmission" et que signifie le terme "donnée"? Le Larousse nous donne le choix entre "Point incontestable ou admis comme tel" ou "quantité connue servant à trouver les inconnues d'un problème". Nous voilà renseignés!

Dans le jargon de notre métier, le mot "donnée" est pris plutôt dans le sens d'information numérique, ce qui ne nous en apprend guère plus. Une information numérique est, bien sûr, une information qui peut être représentée par un nombre, mais ne sont-elles pas toutes dans ce cas? En fait, certaines grandeurs sont par nature numériques, comme une somme d'argent, d'autres sont de type "analogique", une distance par exemple, sauf si nous décidons de la rendre numérique en choisissant une unité comme le centimètre et en l'exprimant par le nombre d'unités le plus approchant. Ce faisant, nous acceptons une erreur d'approximation dite "erreur de quantification". On peut diminuer l'erreur de quantification en choisissant une unité de mesure plus fine, le millimètre, le micron, voire l'angström…Mais le nombre qui représentera notre longueur sera de plus en plus grand et tendra même vers l'infini si la précision demandée tend vers l'infini. Retenons donc que toute grandeur peut être rendue numérique moyennant une certaine erreur de quantification.

Reste le cas des grandeurs qui évoluent au cours du temps. S'il s'agit de mon compte en banque, par exemple, l'information sera constituée par une suite de nombres (dont certains pourront malheureusement être négatifs) correspondant aux soldes successifs. Pour que l'information soit complète, il faudra associer à chacun de ces nombres une date représentée elle-même par un nombre. On pourra éventuellement éviter de transmettre la date si l'on préfère convenir d'un intervalle de temps suffisamment court, une heure par exemple, et transmettre systématiquement le solde du compte toutes les heures. On pratique dans ce cas un "échantillonnage" de la valeur. Le choix de l'intervalle d'échantillonnage est délicat, s'il est trop grand, on risque de ne pas voir certains changements, s'il est trop court, on transmettra des informations redondantes et donc inutiles.

De la même façon, s'il s'agit d'une grandeur analogique, on pourra en rendre compte en l'échantillonnant à intervalles réguliers et en convertissant en nombres les valeurs successives ainsi obtenues. Plus la grandeur évolue rapidement, plus l'intervalle d'échantillonnage devra être court. La théorie de l'information nous apprend que pour ne pas perdre d'information, la fréquence d'échantillonnage doit être au moins double de la fréquence maximale contenue dans le signal originel.

Ayant ainsi établi que moyennant certaines précautions, toute information peut être numérisée, nous sommes obligés de constater que "Transmission de données" signifie littéralement "Transmission de n'importe quoi".

 

PRINCIPES DE BASE DE LA TRANSMISSION NUMÉRIQUE

Si inapproprié qu'il soit, le terme "Transmission de données" a commencé à être utilisé vers la fin des années cinquante (je n'ose pas être plus précis) pour désigner les dispositifs de transmission numérique associés à l'informatique naissante, il sera remplacé plus tard par celui de "Téléinformatique". L'idée de transmission numérique est cependant beaucoup plus ancienne. Parmi d'autres applications, on peut citer la télégraphie, le sémaphore, et, plus loin encore, les signaux de fumée des Indiens d'Amérique ou le tam-tam des Africains. Pour quelle raison nos lointains ancêtres ont-ils adopté cette forme de transmission? La réponse est simple : pour augmenter la portée, et cela grâce à une propriété fondamentale du signal numérique : il est régénérable.

Arrêtons-nous un instant sur cette notion. Nous venons d'utiliser le terme "signal numérique". Il convient en effet de distinguer entre l'information proprement dite et sa représentation sous la forme d'une grandeur physique, ou signal. L'information numérique est, on l'a vu, constituée d'une suite de nombres, eux-mêmes constitués d'une suite de chiffres ou symboles. Sa transmission nécessite un support de transmission forcément physique, à l'exception peut-être de la transmission de pensée. On devra donc choisir une grandeur physique compatible avec ce support, définir une liste de valeurs distinctes ou "états" de cette grandeur et convenir d'une loi de correspondance entre les différentes valeurs que peut prendre un chiffre et les états physiques correspondants, lesquels devront bien sûr être en nombre suffisant. Cette loi de correspondance est un "code". Si l'information à transmettre est une suite de nombres décimaux, il nous faudra au minimum 10 états distincts. Il faudra enfin, et ce n'est pas le moins important, découper le temps au moyen d'une horloge en intervalles élémentaires successifs et affecter chaque intervalle à la représentation d'un symbole numérique ou chiffre. Le signal numérique prendra donc la forme d'une grandeur physique évoluant au rythme d'une horloge et dont les valeurs successives appartiennent à un alphabet de valeurs en nombre limité déterminées par un code. L'initiateur de cette méthode est le télégraphiste Emile Baudot (1845-1903).

Ces considérations élémentaires peuvent paraître évidentes, mais elles sont lourdes de conséquences. En effet, la transmission d'un signal physique s'accompagne toujours d'une certaine dégradation : atténuation, déformation, ajout de bruit, …etc. Dans le cas d'un signal analogique, on peut compenser l'atténuation par une amplification mais il est impossible de se débarrasser complètement du bruit et plus on veut porter loin, plus le signal se dégrade, au point de devenir inintelligible. Au contraire, si le signal est numérique, et à condition que la dégradation ne soit pas trop importante, on peut échantillonner le signal au milieu de chaque intervalle élémentaire, mesurer son amplitude à cet instant, la comparer à la liste des états du code et en déduire la valeur du symbole reçu. Il est alors possible de reconstituer un signal numérique rigoureusement identique au signal d'origine. En procédant par bonds successifs avec régénération à chaque étape, plus rien ne limite la portée, et c'est ainsi que grâce à la numérisation de la parole, une communication téléphonique intercontinentale a aujourd'hui la même qualité qu'une communication locale. Il en allait de même pour le sémaphore ou les tours génoises.

Il est évident que plus le nombre d'états que peut prendre le signal est faible, plus il est facile de distinguer sans erreur les valeurs des symboles, l'idéal étant de limiter le nombre d'état à deux. Rien à priori ne s'y oppose, en effet, quelle que soit la base numérique dans laquelle les nombres à transmettre sont exprimés, rien n'empêche de les convertir en nombres binaires et d'utiliser dès lors un signal numérique à deux états pour les représenter (l'inverse est naturellement possible aussi : on peut augmenter à volonté le nombre d'états du signal numérique en choisissant un système numérique de base plus élevée). La réduction du nombre d'états du signal n'a pas que des avantages: la représentation binaire augmente le nombre de chiffres à transmettre et donc le nombre d'intervalles élémentaires nécessaires pour une même quantité d'information. Le nombre décimal 87, par exemple, qui s'exprime au moyen de deux chiffres décimaux s'écrira en binaire : 1010111, soit 7 chiffres. Autrement dit, pour un même débit d'information, la rapidité de transmission mesurée en nombre de symboles par seconde augmente, or nous verrons plus loin que la bande passante nécessaire pour transmettre un signal numérique est proportionnelle à sa rapidité, et l'augmentation de bande passante n'est jamais gratuite.

Rappelons quelques définitions et relations fondamentales :
- L'unité d'information est l'élément binaire ou "bit". Un bit peut prendre deux valeurs, souvent désignées par 1 et 0.
- Dans un signal binaire, chaque symbole occupe un intervalle élémentaire et contient une quantité d'information égale à 1 bit.
- Dans le cas d'un signal à plus de 2 états, si chaque symbole transporte n bit d'information (n'étant pas forcément entier), le nombre d'états doit être égal ou supérieur à 2n.
- Le débit d'information D se mesure en bit /seconde
- La rapidité de transmission R se mesure en symboles par seconde, c'est-à-dire en intervalles élémentaires par seconde. Elle s'exprime parfois en Baud.
- Le débit et la rapidité sont liés par la relation : D = R x n

La figure 1 montre quelques exemples de signaux numérique; a,b,c sont des signaux à deux états, ils utilisent des formes différentes pour représenter les symboles (dont certaines sont d'un intérêt pratique discutable) mais leurs valeurs prélevées aux instants d'échantillonnage matérialisés par les flèches sont identiques. h est le signal d'horloge qui définit les instants d'échantillonnage, il est indispensable pour la lecture et l'interprétation des signaux. d est un signal à 4 états dont chaque symbole représente 2 bit d'information, il a la même rapidité que a,b,c mais son débit est double.

 

Figure 1 : Exemples de signaux numériques

Ces rappels que beaucoup trouveront bien superflus vont nous permettre de mieux saisir la nature des problèmes rencontrés en téléinformatique.

LES PREMIERS PAS

Les principes qui viennent d'être rappelés s'appliquent à toutes les formes de transmission numériques, et quel que soit le support de transmission utilisé. Dans le cas particulier de la téléinformatique à TRT, le problème était plus circonscrit : Il s'agissait de permettre à deux terminaux de communiquer entre eux au moyen du support de transmission le plus répandu, un canal téléphonique.

Le mot terminal doit être pris dans son sens le plus général : un terminal informatique d'accès, une machine de traitement tel qu'un ordinateur, un nœud de réseau, etc. Un terminal peut être émetteur d'information, récepteur, ou le plus souvent, l'un et l'autre. Nous n'échapperons pas, cette fois encore à quelques définitions :

- Si entre deux terminaux A et B l'information circule dans un seul sens, de A vers B par exemple, la liaison est dite unilatérale ou "simplex".
---- Si l'information circule dans les deux sens, nous devons distinguer deux cas :
---------1. Si la transmission s'effectue en même temps dans les deux sens, la liaison est dite bilatérale -----------simultanée ou "duplex" (et surtout pas "full duplex" comme on l'entend trop souvent).
---------2. Si la transmission a lieu alternativement dans un sens et dans l'autre, on dira que la liaison -----------est bilatérale à l'alternat ou "semi duplex".
---- Si les débits sont les mêmes dans les deux sens, la liaison est "symétrique", s'ils sont différents, la liaison est "asymétrique" ou "dissymétrique".

Un terminal comporte une ou plusieurs interfaces d'entrée-sortie numériques au niveau desquelles s'échangent généralement des signaux binaires et les signaux d'horloge associés. Ces signaux ne sont pas directement applicables à un canal téléphonique dont la vocation est de transporter des signaux vocaux. Il est donc nécessaire de convertir les informations délivrées par le terminal "source" en signaux compatibles avec le canal téléphonique et de réaliser la conversion inverse à l'extrémité réception de la liaison. Un canal téléphonique est capable de transmettre des signaux sinusoïdaux de fréquence comprise entre 300 et 3400 Hz, la bande utilisable en pratique est en général plus étroite. La solution consiste à utiliser une onde sinusoïdale dont la fréquence est comprise dans la bande passante du canal et à la moduler par le signal numérique à transmettre. C'est pourquoi les convertisseurs de signaux sont communément appelés "modems", terme dérivé de "modulateur démodulateur".

Les premières études de transmission numérique sur canal téléphonique ont été réalisées à TRT dans le cadre de la télégraphie harmonique. Elles consistaient à diviser la bande téléphonique en sous-canaux et à utiliser chaque sous-canal pour une liaison télégraphique à 50 ou 75 bauds. À la fin des années 50 et au début des années 60, des études avancées de transmission à 6 kbit/s pour la transmission de la parole sous forme numérique, puis pour la transmission de données à 4800 bit/s ont été menées par Jacques DAGUET, Pierre BREANT et Claude GAQUERE. Parallèlement; des études de modems 600 bauds avaient lieu en Hollande. C'est à partir de ces bases qu'ont démarré les premiers développements à vocation industrielle sous la direction de Michel COIRON. Le premier modem construit en série, le Sematrans, est sorti en 1964. Il transmettait 600 ou 1200 bit/s et a équipé diverses administrations et sociétés, civiles ou militaires..

C'est à la même époque que sont apparues les premières recommandations du CCITT (Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique). C'est grâce à cet organisme de normalisation, subdivision de l'UIT (Union Internationale des Télécommunications), que la compatibilité des réseaux téléphoniques nationaux est assurée. Le CCITT a reçu de l'UIT la mission de standardiser la transmission de données sur le réseau téléphonique et par conséquent les modems. Les organisations membres du CCITT habilitées à élaborer et à voter les textes des normes sont les opérateurs téléphoniques publics ou privés, mais les constructeurs ont la possibilité de participer aux délibérations, de proposer des solutions et apportent leur expertise technique. Dès le début, TRT, avec le soutien de l'Administration française, a joué un rôle actif dans ces travaux. Cette participation à la normalisation s'est révélée déterminante, elle a permis tout à la fois de maintenir en permanence un contact privilégié avec les acteurs majeurs du secteur, de suivre en temps réel les progrès de la technique, d'anticiper et parfois d'influencer la standardisation, d'acquérir auprès des grands clients et prescripteurs que sont les opérateurs, une reconnaissance et une crédibilité au niveau international.

Les premiers modems ont été standardisés en 1964, ce sont les recommandations V21 (300 bit/s) et V23 (1200 bit/s). À l'image des systèmes de télégraphie harmonique qui les avaient précédés, ces modems utilisaient le principe de la modulation de fréquence. Les signaux étaient à deux états, chaque état étant représenté par une fréquence de l'onde porteuse. Ce système était le plus simple à mettre en œuvre avec la technologie de l'époque. À la rapidité de 300 bauds, il était possible de diviser la bande téléphonique en deux sous-bandes, chacune étant utilisée pour un sens de transmission et donc de réaliser une transmission duplex symétrique à 200 bit/s sur une ligne téléphonique ordinaire "2 fils" du réseau commuté, celle à laquelle nous avons accès par notre prise téléphonique.

Malheureusement, pour des raisons qu'il serait trop long de développer ici, la technique de la modulation de fréquence est gourmande en bande passante et à 1200 bauds, la largeur de bande occupée par le signal ne permet pas le partage de la bande téléphonique en deux sous-bandes égales, tout au plus peut-on la partager en une sous-bande large utilisée à 1200 bauds et une sous-bande étroite susceptible de transmettre des signaux dans l'autre sens à 75 bauds. Le modem V23 permet donc une transmission duplex dissymétrique 1200/75 bauds ou une transmission semi duplex 1200/1200 bauds sur une ligne téléphonique ordinaire. Si l'on veut réaliser une transmission duplex symétrique à 1200 bauds, il faut faire appel à un ligne "spécialisée" 4 fils, autrement dit deux lignes 2 fils, chacune étant utilisée dans un sens de transmission. Il va de soi que le coût de location d'une ligne spécialisée 4 fils est plus élevé que celui d'une ligne ordinaire.

Le modem 1200 bit/s de l'avis V23, si fruste qu'il paraisse à côté des modems d'aujourd'hui, a pourtant connu une belle carrière. Le modem TRT Sematrans 1203, industrialisé vers 1970 a été produit à près de 20 000 exemplaires par l'usine de Rouen. Le même principe de transmission a été mis en œuvre dans le minitel, et TRT a participé pour une modeste part à cette aventure en coopération avec la Radiotechnique.e.

Il est rapidement apparu que sur de nombreux plans, la Transmission de Données se différenciait nettement des autres secteurs de la société. Mis à part certains matériels comme les radio-altimètres, les fusées de proximité ou les mines, les matériels traditionnels de TRT faisaient plutôt l'objet de séries limitées, vendues à un petit nombre de clients institutionnels, avec la performance comme objectif principal. Dans le cas des modems, on a affaire à des séries relativement importantes, la clientèle est très diversifiée, les matériels doivent être peu coûteux et le prix revêt une importance au moins égale à la performance. Ces caractères spécifiques ont eu des conséquences importantes tant dans le domaine technique que dans le domaine commercial. Au plan technique, ils ont conduit à privilégier l'utilisation de circuits intégrés standard ou spécifiques, à attacher beaucoup d'importance à l'industrialisation et à la réduction des prix de revient. Au plan commercial, il a fallu s'organiser pour prospecter et gérer une multitude de marchés d'importance très variable, d'autant que, après une première phase de concurrence interne au sein du Groupe, TRT a obtenu la responsabilité du domaine au niveau mondial pour l'ensemble de Philips, il a donc fallu superviser de nombreuses organisations commerciales nationales. Le département commercial "Téléinformatique" a été confié en 1964 à François Guillaud, secondé par François Béhar, bientôt rejoint par Pierre Buffet. Son activité, au départ exclusivement nationale, s'est étendue à l'international à partir de 1968, sous l'impulsion de Pierre Buffet. La responsabilité mondiale du domaine, au sein de Philips, a été obtenue après bien des péripéties en 1984, et a conduit, in fine, à la création du Département International des Télécommunications d'Entreprise, sous la responsabilité de François Béhar.

LA COURSE AU DÉBIT

Au cours des quatre dernières décennies, nous avons assisté à une évolution extrêmement rapide des transmissions de données. En exposer le détail nécessiterait, au rythme de parution de Contact, une autre quarantaine d'années, et cela risquerait fort de lasser les lecteurs, ou leurs descendants…Nous nous contenterons donc d'un survol à haute altitude.

Le moteur de cette évolution est la recherche continue de débits toujours plus élevés. Elle a pu s'accomplir grâce à plusieurs facteurs :
- L'amélioration de la qualité du réseau téléphonique.
- Les progrès de la technologie, particulièrement en ce qui concerne l'intégration et les microprocesseurs.
- Les progrès des techniques de traitement du signal.

Pour mesurer le chemin parcouru, souvenons-nous que les premiers modems de série permettaient la transmission duplex sur une ligne téléphonique ordinaire à 300 bit/s, alors que les modems incorporés aujourd'hui dans nos PC acheminent en duplex sur la même ligne un débit de 56 000 bit/s, soit 186 fois plus!

Pour obtenir ce résultat, il a fallu surmonter beaucoup d'obstacles liés aux caractéristiques du support de transmission utilisé, le canal téléphonique. Parmi les principaux citons pêle-mêle :
- Bande passante limitée
- Distorsion d'amplitude
- Distorsion de temps de propagation
- Sauts de phase
- Décalage de fréquence
- Bruit
- Échos

Pour comprendre la nature de ces problèmes et les solutions qui ont pu être apportées, il est malheureusement nécessaire de s'appuyer sur quelques notions de théorie du signal.

Effet de la limitation de bande passante

Nous avons vu précédemment qu'un signal numérique était caractérisé par le fait que ses échantillons prélevés au rythme d'une horloge synchrone de la succession des symboles appartiennent à un ensemble limité de valeurs bien définies. La transmission de ce signal à travers un filtre de bande passante limitée a pour effet de déformer le signal, et cela d'autant plus que la bande est étroite. Il en résulte que les valeurs des échantillons sont modifiées et si l'écart est supérieur à la moitié de la distance qui sépare deux états du signal, on commet une erreur d'interprétation. On pourrait lutter de façon triviale contre ce phénomène en augmentant la bande passante du filtre ou, ce qui revient au même, en diminuant la rapidité de transmission, mais, la bande du canal téléphonique n'est pas extensible et ce n'est pas en diminuant la rapidité de transmission que l'on augmentera le débit. Il existe heureusement une meilleure façon de procéder. La théorie nous indique que si nous considérons un signal numérique de rapidité R (mesurée en symboles par seconde), il existe une famille de filtres passe-bas qui, bien que déformant le signal, respectent les valeurs de ce signal aux instants d'échantillonnage. Le filtre le plus étroit de cette famille est le filtre rectangulaire idéal de fréquence de coupure fc égale à R/2. Ce filtre irréalisable en pratique ne présente pas d'atténuation pour toutes les fréquences inférieures à fc (gain = 1) et une atténuation infinie pour toutes les fréquences supérieures à fc (gain = 0). Les autres filtres répondant à ce critère ont une courbe de gain en fonction de la fréquence présentant une symétrie impaire par rapport au point de fréquence fc et de gain 1/2. Ils doivent également remplir une condition relative au déphasage qu'ils introduisent : celui-ci doit varier linéairement en fonction de la fréquence. On désigne couramment ces filtres sous le nom de "filtres de Nyquist".

 

 

Fig. 2 : Exemples de filtres de Nyquist

Retenons simplement ceci : Il est possible de transmettre un signal numérique à travers un filtre de bande passante B en respectant la valeur du signal aux instants d'échantillonnage pourvu que ce filtre respecte les conditions de gain et de phase d'un filtre de Nyquist. Sa bande passante B obéit à l'inégalité :

(1) B = R/2

L'égalité correspond au cas limite inatteignable en pratique du filtre rectangulaire idéal.

Tout ce que nous venons de rappeler relativement à la transmission à travers un filtre passe-bas ne s'applique pas directement au canal téléphonique puisque ce dernier ne laisse pas passer les fréquences inférieures à 300Hz. Pour cette raison et quelques autres, on utilise une onde porteuse modulée par le signal numérique, qu'en est-il dans ce cas?

Cas des signaux modulés

Pour moduler une onde porteuse sinusoïdale, on peut jouer sur deux et seulement deux paramètres indépendants : son amplitude et son angle de phase. La modulation de fréquence n'est qu'un cas particulier de la modulation de phase. Il est rapidement apparu que l'efficacité maximale en termes de bande passante et de résistance au bruit ne pouvait être obtenue qu'en jouant à la fois sur ces deux paramètres. Une façon simple et imagée de représenter un signal modulé consiste à faire appel à la représentation vectorielle de Fresnel que nous avons tous utilisée sur les bancs du lycée pour l'étude des courants alternatifs. Dans un référentiel constitué de deux axes rectangulaires xOy, le signal est représenté à tout instant par un vecteur OM dont la longueur est égale à l'amplitude r de l'onde modulée à cet instant et l'angle par rapport à l'axe Ox est égal au déphasage du signal par rapport à l'onde porteuse non modulée. L'onde porteuse non modulée (amplitude égale à 1 et angle de phase égal à 0) est donc représentée dans le même référentiel par un vecteur de longueur 1 porté par l'axe Ox.

Fig. 3 : Représentation vectorielle d'un signal modulé

Au cours du temps, l'extrémité M du vecteur signal OM se déplace dans le plan selon une trajectoire continue et cette trajectoire contient l'information transportée par le signal. Dans le cas des signaux numériques, Le point M ne peut occuper qu'un nombre limité de positions aux instants d'échantillonnage, ce sont les "états" du signal, chacun de ces états correspond à une valeur de symbole. L'ensemble des états possibles du signal aux instants d'échantillonnage est donc représenté par une constellation de points dans le plan, on appelle cette figure "diagramme spatial", elle caractérise la méthode de modulation utilisée.

Dans le mode de représentation que nous venons de définir, chaque état du signal est défini par deux coordonnées polaires amplitude et angle de phase. Pour chaque valeur de symbole, on définira au moyen d'une table de correspondance une valeur d'amplitude et une valeur de phase. La succession des symboles se traduira donc par une succession de valeurs d'amplitude et une succession de valeurs de phases, soit deux signaux numériques qui serviront respectivement à moduler l'amplitude et la phase de l'onde porteuse..

Au lieu des coordonnées polaires, on pourrait tout aussi bien repérer chaque état du signal par ses coordonnées rectangulaires abscisse x et ordonnée y. De la même façon, le vecteur OM est égal à la somme de deux vecteurs OH et OJ de longueur x et y, H et J étant les projections du point M sur les axes Ox et Oy. En raisonnant ainsi, on voit que le vecteur OJ est un signal obtenu en modulant en amplitude la porteuse par un signal numérique constitué des valeurs successives de x et que le vecteur OJ peut être obtenu en modulant en amplitude, au moyen des valeurs successives de y, une onde porteuse en quadrature (déphasée de 90°) représentée par un vecteur unitaire porté par l'axe des ordonnées. Il y a donc équivalence entre modulation en amplitude et en phase d'une porteuse par les coordonnées polaires des points du diagramme spatial et addition de deux porteuses en quadrature, modulées en amplitude par les coordonnées rectangulaires x et y des mêmes points. Pour des raisons de simplicité de réalisation, c'est généralement ce deuxième mode que l'on adopte pour synthétiser le signal modulé.

Notons au passage que les deux porteuses en quadrature ainsi modulées occupent la même bande de fréquences, et qu'il en va donc de même du signal complet résultant de leur sommation. Cette bande est donc égale a celle qu'occuperait une seule porteuse modulée en amplitude par un signal numérique de même rapidité R (R étant la rapidité de succession des symboles du diagramme spatial). Mais quelle est donc cette bande?

Ayant suffisamment abusé de la patience du lecteur, nous nous contenterons de rappeler sans le justifier le résultat suivant :

Si le spectre d'un signal, c'est-à-dire la répartition de sa puissance en fonction de la fréquence, est limité à une fréquence maximale fm, et si on module l'amplitude d'une porteuse sinusoïdale de fréquence fo par ce signal, le spectre du signal modulé se répartit selon deux bandes latérales symétriques de part et d'autre de la fréquence fo. La bande supérieure équivaut à une translation égale à fo du spectre du signal modulant, et s'inscrit donc dans la bande fo,( fo + fm). La bande inférieure est symétrique de la précédente par rapport à fo et se situe donc entre fo et (fo - fm). Au total, les deux bandes latérales occupent donc une bande de fréquence centrée sur fo et comprise entre (fo - fm) et (fo + fm), soit le double de la bande occupée par le signal modulant, lui-même souvent désigné par le terme "signal en bande de base".

 

 

Fig. 4 : Spectre d'un signal modulé

Tout ce qui a été dit à propos de la limitation de bande des signaux en bande de base, c'est-à-dire la nécessité de respecter les conditions des filtres de Nyquist s'applique symétriquement à chacune des deux bandes latérales du signal modulé et l'inégalité (1) devient après modulation :

(2) B>= R

PROBLÈMES ET SOLUTIONS

Dès la fin des années 60 et au cours des années 70, TRT a entrepris grâce à l'expertise de Daniel CYPRIS le développement de modems à 2400 bit/s (SEM 2403), 4800 bit/s (SEM 4802) et 9600 bit/s (SEM 9601). Avec les moyens techniques de l'époque, le projet était téméraire et n'a pu être engagé que grâce à une salutaire ignorance des problèmes à résoudre.

Synchronisation

La première de ces difficultés était d'extraire du signal reçu l'information nécessaire au maintien de la synchronisation dans le récepteur d'une horloge locale d'échantillonnage, horloge indispensable, on l'a vu, pour la lecture des valeurs de symbole successives. Cette information est dérivée des variations du signal reçu et disparaît si pendant une certaine période, une même valeur de symbole est transmise.

À 2400 bit/s, le principe retenu était la modulation de phase à 4 états d'une porteuse de fréquence 1800Hz. La rapidité était donc de 1200 symboles par seconde. Le problème de synchronisation de l'horloge d'échantillonnage a été résolu en adoptant une modulation différentielle, celle-ci consistait à associer à chaque valeur de symbole non une valeur de phase, mais un saut de phase. En l'occurrence, les quatre sauts de phase étaient 45°, 135°, 225° et 315°. Cette disposition qui élimine les sauts de phase nuls, garantit que quelque soit le code transmis, il ne puisse exister de longues périodes sans saut, c'est à dire sans modulation de la porteuse. Le prix à payer est que le diagramme spatial comporte 8 points et non 4, en effet, une succession de sauts de phase de 45°, par exemple, engendre 8 points situés sur un cercle centré sur l'origine. D'autres inconvénients contribuent à limiter l'intérêt de cette méthode.

Par la suite, avec le progrès des technologies digitales, on a préféré recourir à la méthode du "brouillage". Elle consiste à faire subir à la séquence numérique à transmettre un traitement analogue au chiffrement utilisé en cryptographie. Ce traitement a pour but non de garantir le secret de l'information, mais d'obtenir comme en cryptographie une distribution aléatoire des symboles et donc de réduire considérablement la probabilité de longues suites de symboles identiques. Bien entendu, la transformation inverse a lieu en réception.

Égalisation

Dès 2400 bit/s, le problème de l'égalisation se pose. Nous avons vu qu'une bonne restitution des échantillons du signal suppose que le canal de transmission obéisse aux conditions de gain et de phase d'un filtre de Nyquist. Malheureusement, le canal téléphonique n'a aucune raison de respecter cette contrainte et est de plus sujet à de grandes variations, d'une ligne à l'autre. On tâche de remédier à cette situation en introduisant dans la liaison un filtre correcteur calculé en fonctions des caractéristiques moyennes du canal téléphonique. Ce filtre est appelé "égaliseur".

Pour les débits supérieurs à 2400 bit/s, on a cherché à augmenter la rapidité du signal. Il est rapidement apparu qu'il était assez illusoire de chercher à dépasser la rapidité de 2400 symboles/s sur une ligne téléphonique. Compte tenu de l'inégalité B = R ,cette rapidité conduit à une largeur de bande notablement supérieure à 2400 HZ, peu éloignée de la largeur théorique de 3000 HZ d'un canal téléphonique. De plus, les distorsions d'amplitude et de phase du canal téléphonique s'aggravent considérablement aux extrémités de la bande.

On est donc conduit à augmenter le nombre de bit par symbole et par conséquent le nombre de points du diagramme spatial :
- À 4800 bit/s, pour une rapidité de 1600 symboles/s, le diagramme comporte 8 points.
- À 9600 bit/s, pour une rapidité de 2400 symboles/s, le diagramme comporte 16 points.

L'augmentation du nombre de points nécessite une meilleure précision d'égalisation et celle-ci est rendue d'autant plus difficile que la largeur de bande utilisée est plus grande! Dès 4800 bit/s, et même sur des lignes spécialisées de qualité mieux garantie, une égalisation "sur mesure" devient indispensable. Les premiers modems TRT 4800 bit/s et 9600 bit/s possédaient un égaliseur ajustable au moyen d'une batterie de potentiomètres. Ce réglage était délicat, devait être repris assez souvent et les variations de température posaient d'énormes problèmes. L'usine de Rouen a même dû approvisionner des couvertures chauffantes pour les introduire dans les coffrets afin d'improviser une régulation de température. Cette opération était rendue possible par la taille de ces matériels qui approchait celle d'une petite machine à laver..

L'apparition des égaliseurs auto adaptatifs a représenté un progrès majeur. On pourrait même parler d'une révolution. Un égaliseur auto adaptatif est un filtre d'égalisation variable dont les caractéristiques se modifient automatiquement pour optimiser en temps réel la qualité du signal reçu. Pour parvenir à ce résultat, on doit faire appel au traitement numérique du signal, autrement dit le signal reçu est échantillonné et ces échantillons, une fois numérisés, subissent une série d'opérations équivalant au filtrage à réaliser. On obtient après traitement des échantillons du signal filtré. On peut alors faire évoluer les paramètres qui régissent ce traitement numérique au moyen d'un algorithme d'asservissement qui les fasse converger vers des valeurs optimales en fonction des caractéristiques de la ligne de transmission.

 

Fig. 5 :Égaliseur auto adaptatif

La figure 5 donne le schéma de principe simplifié d'un égaliseur auto adaptatif. Après démodulation, le signal est échantillonné en synchronisme avec les symboles reçus, le filtrage numérique d'égalisation est effectué sur ces échantillons, la valeur de chaque symbole est estimée par comparaison de l'échantillon égalisé avec le diagramme spatial et la différence entre la valeur mesurée et la valeur estimée constitue un signal d'erreur que l'algorithme d'asservissement va chercher à minimiser en moyenne en agissant sur les paramètres de l'égaliseur. En pratique, le dispositif est dédoublé puisque les signaux s(t) et s(nT) comportent deux composantes, correspondant respectivement à la démodulation de la porteuse en phase (abscisse x(t)) et à la démodulation de la porteuse en quadrature (ordonnée y(t)) du vecteur signal de la figure 3.

A l'établissement de la liaison, les valeurs estimées sont en général trop éloignées de la réalité pour être significatives aussi utilise-t-on une séquence de symboles connue (position 1 du commutateur). Une fois l'égalisation dégrossie, le commutateur est placé en position 2 et l'asservissement se poursuit à partir des informations transmises.

Les filtres égaliseurs auto adaptatifs ont donné lieu à d'intenses travaux de recherche auquels TRT à largement participé. Loïc Guidoux a apporté dans ce domaine d'importantes contributions personnelles qui se sont traduites par des brevets quasiment impossible à tourner, et lui ont valu en 1974 le prix du Général Ferrié.

L'égalisation auto adaptative a ouvert la voie à une augmentation des débits, elle a permis également l'utilisation pour les hauts débits de lignes variables dans le temps comme les réseaux partagés multipoints ou les lignes téléphonique du réseau général commuté.

Les premiers modems TRT à égalisation auto adaptative (Sematrans 4803 et 9603) sont sortis entre 1973 et 1975. Les premières recommandations du CCITT pour un modem 4800 bit/s (avis V27 bis) et un modem 9600 bit/s (avis V29) à égalisation auto adaptative datent de 1976.

Codage Convolutionnel (ou en treillis)

Au cours des années suivantes, le développement des technologies numériques intégrées, et en particulier l'apparition de microprocesseurs spécialisés dans le traitement numérique des signaux a permis la généralisation du traitement numérique à toutes les autres fonctions d'un modem telles que démodulation, synchronisation d'horloge, prises de décision, etc. La précision de l'égalisation s'est aussi améliorée, cependant, un obstacle majeur limitait l'augmentation du débit : Le bruit.

Dans un modem 9600 bit/s le signal comporte 16 états qu'il faut discriminer sans erreur, même en présence de bruit. C'est déjà beaucoup. Pour transmettre 14400 bit/s, il faut ajouter deux bit par symbole et le signal doit comporter 26 états, c'est-à-dire 64. Un signal de cette complexité est extrêmement sensible au bruit. Heureusement, la théorie de l'information vient à notre secours, elle nous apprend qu'il est possible de diminuer le taux d'erreur en ajoutant de la redondance à l'information transmise, quitte à augmenter encore le nombre d'états, à condition d'estimer les valeurs des symboles non plus individuellement, mais sur un groupe glissant de symboles successifs, en utilisant la redondance pour corriger les inévitables erreurs.

Sur le diagramme spatial, une séquence de n symboles apparaît comme un trajet ponctué par les n points représentant les symboles successifs. S'il y a redondance, c'est-à-dire si le nombre de points du diagramme spatial dépasse le nombre strictement nécessaire pour représenter toutes les valeurs de symboles, il est possible d'interdire certains trajets et si l'on s'y prend bien, on peut faire en sorte d'écarter le plus possible les uns des autres les trajets autorisés. Lorsque le trajet décrit par les n derniers symboles reçus correspond à un trajet interdit, cela signifie que des erreurs se sont produites, on l'interprète alors comme le trajet autorisé le plus proche. Le codage des bits de redondance conduisant à ce résultat est désigné par le terme barbare de codage convolutionnel, ou par référence à une méthode de construction graphique, codage en treillis.

Cette technique a permis la publication par le CCITT en 1988 de l'avis V33 qui définit un modem fonctionnant à 14400 bit/s avec codage en treillis. Le signal de ce modem comporte 128 états! En effet, l'ajout d'un 7e bit de redondance aux 6 bits d'information de chaque symbole conduit à 27 états. Le diagramme spatial correspondant est donné par la figure 6. Impressionnant, n'est-ce pas?

 

Fig. 6 : Diagramme spatial d'un modem 14400 bit/s

Annulation d'écho

Dés la fin des années 70, alors que le débit de 14400 bit/s se profilait tout juste à l'horizon, tout portait à croire que l'on était en passe d'atteindre les limites des possibilités du canal téléphonique. Beaucoup pensaient également qu'en tout état de cause, l'avenir des modems serait limité à court terme par la généralisation de la téléphonie numérique. Après la numérisation des liaisons inter centraux, on pouvait penser en effet que la numérisation des lignes d'abonnés se généraliserait rapidement et permettrait d'offrir à chaque abonné téléphonique une "prise numérique" avec un débit de 64 kbit/s.

Mais rien n'est plus difficile à prévoir que l'avenir et ces deux affirmations se sont révélées aussi fausses l'une que l'autre.

La numérisation des équipements d'abonné a buté sur l'obstacle économique, il était en effet déraisonnable d'augmenter le coût des liaisons d'abonnés lorsque ceux-ci ne désiraient que le service téléphonique de base, ce qui est le cas de l'immense majorité d'entre eux. À ce jour, 25 ans plus tard, la numérisation généralisée se décline toujours au futur.

Quant aux performances des modems téléphoniques, elles ont fait un bond en avant considérable grâce à une innovation remarquable : l'annulation d'écho auto adaptative.

Les modems à haut débit évoqués jusqu'à présent présentent tous une limitation de taille : Pour fonctionner en mode duplex symétrique, ils nécessitent une ligne spécialisée 4 fils. Cela signifie que dans les très nombreuses applications qui nécessitent la transmission de grands volumes de données dans les deux sens ou qui utilisent des protocoles d'échange duplex, il n'est pas possible d'utiliser le moins coûteux, le plus souple et le plus répandu des canaux de transmission : le réseau téléphonique commuté, qui comme chacun sait, se présente chez l'abonné sous la forme d'une ligne deux fils. La technique de partage de la bande de fréquence en deux sous bandes utilisée dans les tout premiers modems ou l'alternat est incompatible avec les hauts débits et ne peut donc apporter de solution à ce problème. C'est là qu'intervient l'annulation d'écho.

Rassemblons notre courage, prenons notre élan et essayons d'en décrire brièvement le principe.

Tout abonné au téléphone sait que la ligne téléphonique peut être utilisée dans les deux sens à la fois. Rien n'empêche deux interlocuteurs de parler en même temps, même si cela ne facilite pas la compréhension mutuelle. Dans cette situation, chaque interlocuteur a du mal à écouter son correspondant car les paroles que lui-même prononce viennent interférer avec celles qu'il reçoit de l'autre. Bien entendu, son oreille reçoit ses propres paroles par propagation acoustique directe, mais elles lui reviennent également en écho à travers l'écouteur du téléphone. Il existe bien dans le combiné téléphonique un système de couplage à la ligne appelé "anti-local" dont le but est précisément d'éviter que les signaux électriques produits par le micro viennent exciter l'écouteur, mais ce système est loin d'être parfait et l'écouteur reçoive un écho atténué et déformé des signaux émis localement ainsi que des échos différés dus à des réflexions multiples dont certaines se produisent chez l'abonné distant.

Si l'on remplace à chaque extrémité de la liaison le micro par le modulateur d'un modem et l'écouteur par le démodulateur, le problème de l'interférence acoustique direct n'existe pas, mais celui des signaux d'écho électriques subsiste et ceux-ci sont malheureusement d'un niveau bien supérieur à celui du signal utile reçu.

Si l'on était capable d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur l'efficacité du système anti-local, la transmission duplex symétrique sur le réseau commuté deviendrait possible. C'est précisément l'objet de l'annulation d'écho.

 

 

Fig. 7 : Annulation d'écho

La figure 7 donne le schéma de principe du dispositif. On distingue dans la partie émission du modem le sous-ensemble "codeur" qui construit le signal numérique S(t) à partir des informations à transmettre et le sous-ensemble "modulateur" qui construit le signal modulé composé de la somme de deux porteuses en quadrature. Ce schéma est simplifié, n'oublions pas en effet que le signal S(t) est en réalité double puisqu'il comprend les signaux d'abscisse et d'ordonnée qui vont respectivement moduler les deux porteuses en quadrature.

Le récepteur reçoit le signal utile r(t) auquel s'ajoute l'ensemble des signaux d'écho regroupés sous l'appellation e(t). On synthétise localement une copie fidèle de ces signaux d'écho au moyen d'un filtre numérique auquel est appliqué le signal numérique S(t). Le filtre simulateur d'écho doit reproduire toutes les caractéristiques du "chemin d'écho réel", y compris le modulateur qui s'y trouve inclus. On obtient ainsi un signal d'écho simulé ê(t) que l'on vient soustraire des signaux réels reçus e(t) + r(t) pour ne laisser subsister à l'entrée du récepteur que r(t).

Il saute aux yeux que la difficulté majeure réside dans la réalisation du filtre simulateur d'écho puisqu'on ne connaît pas à priori les caractéristiques, fort complexes au demeurant, du chemin d'écho réel. Là encore on fait appel à un algorithme d'asservissement auto adaptatif, le critère d'asservissement consistant à jouer sur les caractéristiques du filtre pour minimiser le résidu d'écho après soustraction de l'écho simulé, c'est-à-dire les composantes du signal mesuré à l'entrée du récepteur qui sont corrélées avec le signal S(t).

Ajoutons, pour corser la difficulté, que si la ligne de transmission comporte des liaisons par satellite, certaines composantes du signal d'écho peuvent être affectées de délais de propagation considérables, de l'ordre de la seconde. Le simulateur d'écho doit pouvoir les reproduire.

Ajoutons, pour corser la difficulté, que si la ligne de transmission comporte des liaisons par satellite, certaines composantes du signal d'écho peuvent être affectées de délais de propagation considérables, de l'ordre de la seconde. Le simulateur d'écho doit pouvoir les reproduire.

À ma connaissance, les toutes premières idées relatives à l'annulation d'écho sont venues du Canada. Elles ont été reprises et développées à TRT qui a rapidement pris dans ce domaine une position de leader mondial et a commercialisé le premier modem fonctionnant selon le principe de l'annulation d'écho. Il s'agissait d'un modem 2400 bit/s capable d'opérer en duplex symétrique sur le réseau commuté. Ce modem a été pris comme modèle pour rédiger la recommandation V26 ter du CCITT sortie en 1984. La recommandation V26 ter, la première basée sur l'annulation d'écho auto adaptative a été suivie de plusieurs autres, pour des débits toujours plus élevés, 4800, 9600, …etc., et TRT a développé et commercialisé toute une gamme de matériels conformes à ces avis (Sematrans 4848, 9696, …). Aujourd'hui, on n'imagine plus de modem téléphonique sans annuleur d'écho et l'on a poussé le débit jusqu'à 56 000 bit/s.

Sélection automatique du débit

À l'époque des débuts du minitel, il n'était pas possible de garantir un fonctionnement correct à 1200 bit/s sur plus de 90% des lignes du réseau commuté. Nous n'en sommes plus là, mais malgré les progrès réalisés tant au niveau des matériels que du réseau, rares sont les lignes capables d'écouler avec un taux d'erreurs acceptable un débit duplex de 56000 bit/s, qui suppose la transmission dans les deux sens à la fois de signaux comportant plusieurs centaines d'états. À toutes les avancées technologiques citées plus haut, il a donc fallu rajouter un ultime perfectionnement : la sélection automatique du débit. Elle consiste à munir les modems d'une gamme de débits utilisables, de moyens de mesure de qualité et de leur permettre grâce à des procédures d'échange d'informations de choisir à tout instant le débit le plus élevé compatible avec la ligne utilisée.

C'est ainsi que les modems à 56 kbit/s qui équipent couramment nos ordinateurs fonctionnent rarement en pratique à plus 36 kbit/s.

AUJOURD'HUI ET DEMAIN

Après ce trop long exposé, chacun aura compris qu'un modem, si banal qu'il paraisse aujourd'hui, est un concentré de technologies très avancées et comporte des moyens de traitement numérique puissants. Qui aurait pu imaginer, il y a une vingtaine d'années, qu'un système de cette complexité pourrait être réalisé au moyen de quelques composants électroniques sur un petit circuit imprimé bon marché.

Dans ce domaine comme dans bien d'autres, le leadership s'est déplacé au cours du temps, d'abord de la recherche vers les équipementiers, puis des équipementiers vers les fabricants de composants. Vers la fin des années 80, la société TRT avait produit une quantité cumulée d'environ 350 000 modems de tous types, pour la plupart dans l'usine de Rouen. Cependant, après avoir été pendant longtemps le premier fabricant français de modems, TRT a été amenée à se retirer peu à peu d'une activité qui ne lui permettait plus d'apporter une valeur ajoutée suffisante, et s'est orientée vers les commutateurs de données et les réseaux, mais ceci est une autre histoire…

On a trop souvent annoncé à tort la fin des modems pour que je m'y risque aujourd'hui sans quelque hésitation, je serais pourtant tenté d'en prévoir le déclin, au moins en ce qui concerne les modems utilisant le canal téléphonique analogique. Depuis longtemps, on a cherché à tirer parti du fait que les lignes d'abonné, c'est-à-dire les fils de cuivre qui relient l'abonné à son central téléphonique de rattachement présentent une bande passante utilisable bien supérieure à celle d'un canal téléphonique de bout en bout. C'est ainsi que TRT, comme bien d'autres constructeurs a produit des "modems en bande de base", bien mal nommés puisqu'il s'agissait de simples codeurs, ne comportant pas de modulation d'une porteuse, destinés à transmettre de très hauts débits sur de courtes distances en utilisant les fils de cuivre des lignes d'abonné. Le développement explosif d'Internet auquel nous avons assisté a renforcé l'intérêt de solutions de ce type pour permettre le raccordement des utilisateurs aux gros débits d'information mis à leur disposition par les fournisseur d'accès. C'est ainsi que l'on a vu naître les techniques "ADSL" (Asymetrical Digital Subscriber Link) qui permettent l'établissement entre un abonné et son central, en plus de la liaison téléphonique vocale, de canaux duplex dissymétriques dont le débit en réception dépasse 1 Mbit/s. Au central téléphonique, des dispositifs d'aiguillage renvoient ces débits vers des canaux numériques compatibles qui assurent la liaison avec les portails Internet. On commence à utiliser aussi ce mode de transmission pour acheminer vers les abonnés la télévision numérique.

Le dispositif ADSL placé chez l'abonné porte le nom de "modem ADSL". S'agit-il encore de modem au sens traditionnel du terme? À chacun d'en juger, en tout cas le marché de ces modems ADSL est dans une phase de développement exponentielle et ils devraient, me semble-t-il, se substituer peu à peu aux modems téléphoniques dans la plupart des applications.

En guise de conclusion, peut-être pouvons-nous paraphraser une formule célèbre : le Modem est mort, vive le Modem.

 

Michel STEIN

 

 

Par Michel Stein

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