modulation par impulsions et codages

Procédé de mise en œuvre d’informations électriques en vue d’assurer leur transmission d’un point à un autre sur des lignes de télécommunications de natures variées (câbles, faisceaux hertziens).

Les natures analogiques et numériques des signaux

Une information constitue obligatoirement un phénomène variable dans le temps. La variation fondamentale est de nature sinusoïdale. Toute information est alors la combinaison à tout instant d’une infinité (simple ou double) de composantes fondamentales, d’amplitude, de fréquence et de phase variables avec le temps. Le signal global se représente dès lors mathématiquement par la somme des termes d’une série infinie de constituants sinusoïdaux ; sa nature est dite analogique. La totalité du temps est occupée par la présence de toutes les valeurs instantanées successives du signal sans solution de continuité.

L’échantillonnage

Pour définir l’information, il n’est pas indispensable de disposer de tous les états successifs de la variation, mais il suffit de prélever régulièrement des « échantillons » du signal, et ce pendant un temps très bref. Ainsi, pour restituer un signal continu à la fréquence on se contente de prélever deux échantillons du signal pendant le temps T, donc à la cadence 2 F. Si F_m est la fréquence la plus élevée d’un signal complexe, il suffira de faire un échantillonnage à la fréquence 2 F_m. Un filtrage approprié à la réception permettra de récupérer les composantes de fréquences inférieures et égales à F_m, reconstituant ainsi le signal d’origine de forme sinusoïdale.

L’avantage immédiat d’un tel procédé est que la ligne de transmission n’est occupée que pendant deux fractions de la période de T_m secondes ; elle devient disponible pour la transmission d’autres signaux du même type à la condition que l’échantillonnage des autres informations se fasse à la même fréquence 2 F_m et que les trains d’échantillons soient décalés les uns par rapport aux autres afin d’éviter les chevauchements. On réalise ainsi un système multiplex à répartition dans le temps permettant de transmettre successivement sur une même ligne les éléments caractéristiques des signaux de différentes informations.

La fréquence d’échantillonnage la plus couramment utilisée pour la transmission du téléphone est de 8 000 Hz (2 fois la fréquence maximale F_m de la voie téléphonique classique), et l’on peut disposer dans le temps 24 trains d’échantillons, donc 24 communications téléphoniques dans la période T de 125 μs qui sépare deux impulsions successives du même train.

La quantification

Le deuxième volet fondamental du procédé est la numérisation. Les impulsions électriques résultant de l’échantillonnage varient en amplitude. Elles sont encore de nature analogique. Une échelle de N niveaux d’amplitude est alors définie entre l’amplitude nulle et l’amplitude maximale atteinte par l’impulsion. Les impulsions peuvent donc ainsi être quantifiées et caractérisées par le niveau le plus voisin. À chaque niveau correspond donc une valeur numérique entière.

La codification

Elle consiste en une traduction électrique à l’aide d’un codeur de la valeur numérique du niveau. Le résultat de cette traduction se présente sous la forme d’un ensemble d’éléments binaires significatifs. Ces éléments binaires, dénommés bits ou digits, sont des impulsions très brèves, d’amplitude constante, présentes ou non et en nombre constant (6 — 7 — 8) dans le groupe caractéristique d’un niveau. Ainsi, le niveau N = 44 de quantification, correspondant à une certaine valeur connue de la tension de l’impulsion d’échantillonnage, sera, dans un système de codification à 6 éléments binaires (ou moments), représenté par
1.0.1.1 0 0
(en code direct
32 — 16 — 8 — 4 — 2 — 1),
1 indiquant la présence de l’impulsion de codage et 0 son absence.

L’information analogique du départ (sinusoïde complète, puis échantillon) est ainsi devenue une information numérique. Alors que dans la forme analogique l’état physique se traduit en termes d’amplitude, dans l’état numérique il se traduit en termes de présence et d’absence, c’est-à-dire par tout ou rien.

Caractéristiques de la modulation par impulsions et codage

L’évolution du signal de départ fait donc apparaître une double discontinuité.

• La première, qui résulte de l’échantillonnage, est mise en œuvre depuis déjà de nombreuses années. Les impulsions modulées en amplitude (IMA) sont rarement utilisées sous cette forme et généralement transformées en impulsions modulées en durée (IMD) ou en position (IMP). La première liaison hertzienne transportant ce mode de génération d’informations analogiques fut essayée en 1935 en France.

• La seconde, qui résulte de la quantification et du codage des impulsions modulées en amplitude, est de mise en œuvre beaucoup plus récente. Les avantages sont certains. Puisqu’il ne s’agit que de reconnaître la présence ou l’absence des éléments binaires, on conçoit que le système présente une bonne protection contre les variations parasites de transmission qui agissent sur l’amplitude (évanouissements, distorsion, etc.). La transmission est à peu près indépendante de la qualité de la ligne.

La technique de traitement par des circuits logiques intégrés facilite la mise en œuvre et abaisse les coûts d’équipement.

Cependant, ces avantages ont une contrepartie. La quantification faisant apparaître une différence entre la valeur réelle de l’impulsion et sa valeur retenue, l’imprécision qui en résulte se traduit par l’apparition d’un bruit de quantification d’autant plus fort que la hauteur des échelons (différence entre deux niveaux successifs) est plus grande. Si les échelons sont de petite hauteur, ils sont nombreux, et l’on est obligé d’accroître la richesse de l’information contenue dans le groupe d’éléments binaires représentant les niveaux, donc d’accroître le nombre de moments significatifs et, par là, l’encombrement temporel. Cet accroissement entraîne alors soit une réduction du volume global d’informations multiplex transmises, soit l’obligation d’élargir la bande de fréquence réservée à la transmission.