Réseaux

RSEAUX

& TLCOMS

RSEAUX

& TLCOMS

Cours avec 129 exercices corrigs

Claude Servin

Charg de cours au CNAM de Paris

Ancien responsable rseaux et tlcoms

au sein du ministre de la Dfense

Prface de

Jean-Pierre Arnaud

Professeur au CNAM

2

e

dition

Illustration de couverture :

Contexture, PhotoDisc by Getty Images

Dunod, Paris, 2003, 2006

ISBN 2 10 049148 2

Ce pictogramme mrite une explication.

Son objet est dalerter le lecteur sur

la menace que reprsente pour lavenir

de lcrit, particulirement dans

le domaine de ldition tech-

nique et universitaire, le dvelop-

pement massif du photo-

copillage.

Le Code de la proprit

intellectuelle du 1

er

juillet 1992

interdit en effet expressment la

photocopie usage collectif

sans autorisation des ayants droit. Or,

cette pratique sest gnralise dans les

tablissements denseignement suprieur,

provoquant une baisse brutale des achats

de livres et de revues, au point que la

possibilit mme pour les auteurs

de crer des uvres nouvelles et

de les faire diter correctement

est aujourdhui menace.

Nous rappelons donc que

toute reproduction, partielle ou

totale, de la prsente publication

est interdite sans autorisation du

Centre franais dexploitation du

droit de copie (CFC, 20 rue des Grands-

Augustins, 75006 Paris).

/

Prface

Le domaine des Tlcommunications et des Rseaux est en pleine effervescence, chaque semaine

qui scoule apporte sa moisson de nouvelles offres, dannonces et de propositions de norme.

Confront ce ux incessant de nouveauts, le praticien doit faire des choix qui savreront strat-

giques pour lentreprise et structurants pour lavenir de son systme dinformation. Cest dire lim-

portance de disposer de bases solides, seules aptes valuer sainement la pertinence des solutions

proposes par les constructeurs de matriels et les diteurs de logiciels. Encore faut-il sentendre

sur la constitution de cette base : il ne sagit pas damasser des connaissances plus ou moins vagues

ou plus ou moins utiles, mais de construire un socle sur lequel pourra sappuyer une rexion

personnelle.

Dans la conjoncture actuelle, il nest gure de tche plus utile que de transmettre ces connais-

sances et denseigner les mthodes qui permettent den tirer prot. Lvolution technologique impo-

sait une nouvelle dition des ouvrages de Claude Servin. Pour distinguer ce qui, dans cette mul-

titude dvolutions, est sufsamment assur pour mriter dtre enseign, il fallait la pratique du

terrain dun homme de rseaux. Il fallait aussi allier cette exprience de lingnieur qui cre des

projets celle de lenseignant qui transmet les savoirs ncessaires cette cration.

Claude Servin possde assurment lune et lautre et cest ce qui donne son ouvrage un intrt

tout particulier. Ses lecteurs apprcieront une prsentation simple des concepts les plus fondamen-

taux, dbarrasss de tout hermtisme et orients vers laction et lingnierie, sans cder aux modes

passagres ou aux complexits inutiles qui encombrent bien des manuels.

Ce sont ces qualits qui lui ont permis de sinscrire avec russite dans les enseignements dis-

penss au Conservatoire national des Arts et Mtiers (CNAM) et de jouer le rle de pivot vers des

enseignements plus spcialiss.

Dj insr dans le monde du travail, le public du CNAM est exigeant, il vient y chercher une

mise en perspective et une rigueur sans faille. Il ne saurait se satisfaire de lautorit dun ensei-

gnant qui ne pourrait faire preuve de sa capacit matriser les enjeux technologiques actuels.

Claude Servin a su les convaincre et, comme les auditeurs qui se pressent nombreux ses cours et

VI Rseaux et tlcoms

y trouvent limpulsion pour un approfondissement ultrieur, je suis certain que le lecteur trouvera

la lecture de cet ouvrage un intrt soutenu et quil sera son compagnon pendant encore de longues

annes. Les manuels denseignement auxquels on continue de se rfrer une fois entr dans la vie

active ne sont pas si nombreux : ayant personnellement lexprience de la direction de socits dans

le domaine des rseaux, je ne saurais faire cet ouvrage un meilleur compliment que de dire quil

fait partie de ceux-l.

Jean-Pierre ARNAUD

Professeur au Conservatoire national des Arts et Mtiers

Titulaire de la chaire de Rseaux

Table des matires

PRFACE V

AVANT-PROPOS XXI

PARTIE I

CONCEPTS FONDAMENTAUX 1

CHAPITRE 1

LINFORMATION ET SA REPRSENTATION DANS LES SYSTMES DE TRANSMISSION 3

1.1 Gnralits 3

1.1.1 Les ux dinformation 3

1.1.2 Les caractristiques des rseaux de transmission 4

1.2 La reprsentation de linformation 6

1.2.1 Les diffrents types dinformation 6

1.2.2 Le codage des informations 6

1.2.3 La numrisation des informations 12

1.3 La compression de donnes 21

1.3.1 Gnralits 21

1.3.2 La quantication de la compression 21

1.3.3 La compression sans perte 22

1.3.4 Les codages rduction de bande 22

1.4 La notion de qualit de service 33

1.4.1 Les donnes et les contraintes de transmission 33

1.4.2 Les classes de service 34

1.4.3 Conclusion 36

EXERCICES 37

CHAPITRE 2

LES SUPPORTS DE TRANSMISSION 39

2.1 Gnralits 39

VIII Rseaux et tlcoms

2.2 Les caractristiques des supports de transmission 40

2.2.1 La bande passante et le systme de transmission 40

2.2.2 Limpdance caractristique 43

2.2.3 Le coefcient de vlocit 45

2.3 Les supports guids 46

2.3.1 La paire torsade 46

2.3.2 Le cble coaxial 48

2.3.3 La bre optique 49

2.3.4 Les liaisons hertziennes 53

2.4 Conclusion 60

EXERCICES 61

CHAPITRE 3

LMENTS DE BASE DE LA TRANSMISSION DE DONNES 63

3.1 Introduction 63

3.2 Lorganisation fonctionnelle et physique des changes 64

3.2.1 Lorganisation des changes 64

3.2.2 Lorganisation physique 65

3.3 Le mode dadaptation au support 73

3.3.1 Gnralits 73

3.3.2 La transmission en bande de base 74

3.3.3 La transmission en large bande 84

3.3.4 Les liaisons full duplex 88

3.3.5 Les dispositifs complmentaires 89

3.3.6 Exemples de modem 92

3.3.7 Principaux avis du CCITT 94

3.3.8 Comparaison transmission bande de base et large bande 94

3.4 La jonction DTE/DCE ou interface 96

3.4.1 Ncessit de dnir une interface standard 96

3.4.2 Les principales interfaces 97

3.5 Conclusion 105

EXERCICES 105

CHAPITRE 4

NOTIONS DE PROTOCOLES 109

4.1 Gnralits 109

4.2 Les type de liaisons et leur contrle 110

4.2.1 La liaison point point 110

4.2.2 Les liaisons multipoints 110

4.3 Les fonctions lmentaires 111

4.3.1 La dlimitation des donnes 111

4.3.2 Le contrle dintgrit 113

4.3.3 Le contrle de lchange 121

4.3.4 Le contrle de ux 131

Table des matires IX

4.4 La signalisation 134

4.4.1 Dnition 134

4.4.2 La signalisation dans la bande 134

4.4.3 La signalisation hors bande 135

4.5 Ltude succincte dun protocole de transmission (HDLC) 136

4.5.1 Gnralits 136

4.5.2 La structure de la trame HDLC 137

4.5.3 Les diffrentes fonctions de la trame HDLC 137

4.5.4 Le fonctionnement dHDLC 139

4.5.5 Les diffrentes versions du protocole HDLC 143

4.5.6 HDLC et les environnements multiprotocoles 144

4.6 Conclusion 144

EXERCICES 145

CHAPITRE 5

MUTUALISATION DES RESSOURCES 147

5.1 Introduction 147

5.2 La quantication de trac 147

5.2.1 Gnralits 147

5.2.2 Lintensit de trac et le taux dactivit 148

5.3 Les concentrateurs 151

5.3.1 Principe 151

5.3.2 Les fonctionnalits complmentaires, exemple dapplication 152

5.4 Les multiplexeurs 153

5.4.1 Principe 153

5.4.2 Le multiplexage spatial 154

5.4.3 Le multiplexage temporel 156

5.4.4 Comparaison multiplexeur/concentrateur 160

5.5 Le multiplexage et laccs linterface radio 161

5.5.1 Principe 161

5.5.2 Les techniques daccs multiple 161

5.6 Le concept de rseau commutation 165

5.6.1 Dnitions 165

5.6.2 La classication des rseaux 166

5.6.3 La topologie physique des rseaux 168

5.6.4 Les rseaux commutation 170

5.7 Conclusion 174

EXERCICES 175

CHAPITRE 6

LES RSEAUX COMMUTATION DE PAQUETS 177

6.1 Gnralits 177

6.2 Les performances de la commutation de paquets 178DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

X Rseaux et tlcoms

6.3 Du mode datagramme au mode connect 179

6.3.1 Principe 179

6.3.2 Les modes de mise en relation 181

6.4 La notion dadressage 183

6.4.1 Dnition 183

6.4.2 Ladressage physique 184

6.5 La notion de nommage 188

6.5.1 Le nommage 188

6.5.2 La notion dannuaire 188

6.6 Lacheminement dans le rseau 189

6.6.1 Dnitions 189

6.6.2 Les protocoles de routage 190

6.7 Ladaptation de la taille des units de donnes 201

6.7.1 La notion de MTU 201

6.7.2 La segmentation et le rassemblage 202

6.8 La congestion dans les rseaux 203

6.8.1 Dnition 203

6.8.2 Les mcanismes de prvention de la congestion 204

6.8.3 La rsolution ou la gurison de la congestion 206

6.9 La voix dans les rseaux en mode paquet 207

6.9.1 Intrt et contraintes 207

6.9.2 Le principe de la paqutisation de la voix 207

6.10 Conclusion 208

EXERCICES 209

PARTIE II

LARCHITECTURE PROTOCOLAIRE 211

CHAPITRE 7

LES ARCHITECTURES PROTOCOLAIRES 213


7.2 Les concepts de base 214

7.2.1 Principe de fonctionnement dune architecture en couches 214

7.2.2 La terminologie 215

7.3 Lorganisation du modle de rfrence 219

7.3.1 Les concepts ayant conduit la modlisation 219

7.3.2 La description du modle de rfrence 220

7.4 Ltude succincte des couches 225

7.4.1 La couche physique 225

7.4.2 La couche liaison de donnes 226

7.4.3 La couche rseau 227

7.4.4 La couche transport 231

7.4.5 La couche session 235

7.4.6 La couche prsentation 236

Table des matires XI

7.4.7 La couche application 238

7.4.8 Devenir du modle OSI 241

7.5 Les architectures constructeurs 243

7.5.1 Larchitecture physique dun systme de tlinformatique 243

7.5.2 Lorigine des architectures constructeurs 243

7.6 Conclusion 244

EXERCICES 245

CHAPITRE 8

INTRODUCTION TCP/IP 247

8.1 Gnralits 247

8.1.1 Origine 247

8.1.2 Principe architectural 247

8.1.3 La description gnrale de la pile et les applications TCP/IP 249

8.1.4 Les mcanismes de base de TCP/IP 250

8.1.5 Les instances de normalisation 253

8.2 Ladressage dans le rseau logique 253

8.2.1 Principe de ladressage IP 253

8.2.2 Les techniques dadressage dans un rseau IP 255

8.3 Le routage dans le rseau IP 264

8.3.1 Ladressage dinterface 264

8.3.2 Le concept dinterface non numrote 265

8.4 Ladressage dans IPv6 266

8.4.1 Gnralits 266

8.4.2 La notation et le type dadresse 267

8.4.3 Le plan dadressage 268

8.4.4 Ladressage de transition dIPv4 vers IPv6 270

8.5 Conclusion 270

EXERCICES 271

CHAPITRE 9

LARCHITECTURE TCP/IP ET LE NIVEAU LIAISON 273

9.1 Gnralits 273

9.2 Les protocoles de liaison (point point) 274

9.2.1 Gnralits 274

9.2.2 SLIP, Serial Line Internet Protocol (RFC 1055) 274

9.2.3 PPP, Point to Point Protocol (RFC 1548 et 1661, 1662) 275

EXERCICE 286

CHAPITRE 10

LE PROTOCOLE IP ET LES UTILITAIRES RSEAUX 289

10.1 Gnralits 289

10.2 La structure du datagramme IP 289

10.3 Le contrle de la fragmentation sous IP 294DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

XII Rseaux et tlcoms

10.4 Les utilitaires de la couche rseau 295

10.4.1 Le protocole ICMP 295

10.4.2 La rsolution dadresses 298

10.4.3 Les utilitaires de conguration 301

10.4.4 Conclusion 304

10.5 DIPv4 IPv6 305

10.5.1 Les lacunes dIPv4 305

10.5.2 Le datagramme IPv6 305

10.6 IP et la mobilit 309

10.6.1 Gnralits 309

10.6.2 Le principe de la mobilit sous IPv4 309

10.6.3 La mobilit dans IPv6 314

10.6.4 Conclusion 315

10.7 Lencapsulation GRE 315

10.8 Conclusion 316

EXERCICE 317

CHAPITRE 11

LES PROTOCOLES DE TRANSPORT : TCP ET UDP 319

11.1 Gnralits 319

11.2 Les mcanismes de base de TCP 320

11.2.1 La notion de connexion de transport 320

11.2.2 Notion de multiplexage de connexion de transport 320

11.2.3 Ltablissement de la connexion de transport 322

11.2.4 Le mcanisme contrle de lchange 323

11.2.5 Le contrle de ux et de congestion 326

11.3 Le message TCP et les mcanismes associs 330

11.3.1 La structure du segment TCP 330

11.3.2 Le contrle derreur 331

11.3.3 La bufferisation des donnes 332

11.4 Les options de TCP 332

11.4.1 La taille des segments 333

11.4.2 Loption destampille horaire 333

11.4.3 Le TCP et les rseaux haut dbit 334

11.5 Le mode datagramme (UDP) 335

11.6 Conclusion 335

EXERCICES 337

CHAPITRE 12

TCP/IP ET LES APPLICATIONS 339


12.2 Les notions dannuaire 339

12.2.1 Gnralits 339

Table des matires XIII

12.2.2 Le service de noms (DNS) 340

12.2.3 La gnralisation de la notion dannuaire 346

12.3 Le transfert de chiers 348

12.3.1 TFTP (Trivial File Transfert Protocol) 348

12.3.2 FTP (File Transfert Protocol) 350

12.4 Lmulation de terminal (Telnet) 351

12.4.1 Principe de Telnet 351

12.4.2 Les commandes et les modes de fonctionnement 352

12.5 Les notions de Middleware 353

12.5.1 Dnitions 353

12.5.2 Les exemples doutils milddleware dans TCP/IP 354

12.5.3 Internet et le middleware 357

12.6 Conclusion 358

EXERCICES 360

PARTIE III

MISE EN UVRE 361

CHAPITRE 13

INTRODUCTION AUX RSEAUX DE TRANSPORT 363

13.1 Gnralits 363

13.2 Le plan de transmission 364

13.2.1 Gnralits 364

13.2.2 La synchronisation des rseaux 364

13.2.3 La hirarchie plsiochrone (PDH) 368

13.2.4 La hirarchie synchrone (SDH) 370

13.2.5 La transmission optique 373

13.3 Le plan de service 374

13.3.1 Gnralits 374

13.3.2 Introduction aux protocoles rseaux 375

13.3.3 Les rseaux doprateurs 381

13.4 Laccs aux rseaux, la boucle locale 383

13.4.1 Dnition 383

13.4.2 Organisation de la distribution des accs 383

13.4.3 Laccs aux rseaux par liaison ddie (ligne spcialise) 384

13.4.4 La Boucle locale radio (BLR) 387

13.4.5 Les accs hauts dbits 388

13.4.6 Les courants porteurs 393

13.5 Conclusion 394

EXERCICES 395

CHAPITRE 14

LES PROTOCOLES DE CUR DE RSEAU 397

14.1 Le protocole X.25 397

14.1.1 Gnralits 397DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

XIV Rseaux et tlcoms

14.1.2 Le niveau X.25-1 397

14.1.3 Le niveau X.25-2 398

14.2 Le relais de trame ou Frame relay 411

14.2.1 Gnralits 411

14.2.2 Le format de lunit de donnes 412

14.2.3 Les mcanismes lmentaires 412

14.3 LATM (Asynchronous Transfer Mode) 421

14.3.1 Gnralits 421

14.3.2 La taille des units de donnes ou cellules 422

14.3.3 Les mcanismes de base et le format de la cellule ATM 424

14.3.4 Les diffrentes couches du modle 427

14.3.5 La qualit de service dans lATM 431

14.3.6 Le contrle de ux et de congestion 433

14.3.7 La signalisation et le routage 434

14.3.8 Ladministration des rseaux ATM 437

14.4 Conclusion 438

EXERCICES 439

CHAPITRE 15

MPLS, MULTIPROTOCOL LABEL SWITCHING 443

15.1 Gnralits 443

15.2 Principe 443

15.3 Le rseau MPLS 444

15.3.1 Le commutateur MPLS 444

15.3.2 Le principe de base dun rseau MPLS 445

15.3.3 Les mcanismes particuliers 446

15.4 MPLS et les infrastructures existantes 448

15.4.1 Gnralits 448

15.4.2 La gestion du TTL 449

15.4.3 MPLS et ATM 449

15.5 La construction des routes dans un rseau MPLS 451

15.5.1 Gnralits 451

15.5.2 Le protocole LDP (RFC 3036) 452

15.6 MPLS et lingnierie de trac 454

15.7 Les VPN MPLS 454

15.7.1 Notions de base sur les VPN 454

15.7.2 Principe gnral des VPN MPLS 457

15.8 Conclusion 459

EXERCICE 460

Table des matires XV

CHAPITRE 16

LES RSEAUX LOCAUX ET MTROPOLITAINS 461


16.1.1 Dnition 461

16.1.2 Distinction entre rseau local et informatique traditionnelle 462

16.1.3 Les rseaux locaux et laccs aux systmes traditionnels 462

16.1.4 Les constituants dun rseau local 463

16.1.5 Les rseaux locaux et la normalisation 465

16.2 tude succincte des diffrentes couches 466

16.2.1 La couche physique 466

16.2.2 La sous-couche MAC 469

16.2.3 La couche liaison (LLC) 473

16.3 tude succincte des principales implmentations 477

16.3.1 Lanneau jeton, IEEE 802.5 477

16.3.2 Le jeton adress ou Token Bus, IEEE 802.4 480

16.3.3 Le rseau 100 VG AnyLAN, 802.12 482

16.4 Les rseaux locaux ATM 484

16.4.1 Gnralits 484

16.4.2 Classical IP ou IP over ATM 485

16.4.3 LAN Emulation 487

16.5 Les rseaux mtropolitains 492

16.5.1 Gnralits 492

16.5.2 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 492

16.5.3 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) 494

16.6 Les canaux hauts dbits 496

16.6.1 HiPPI 497

16.6.2 Fibre Channel Standard 497

16.7 Conclusion 498

EXERCICES 499

CHAPITRE 17

ETHERNET ET SES VOLUTIONS SANS FIL 501


17.2 Les caractristiques gnrales des rseaux Ethernet/802.3 501

17.2.1 Le principe du CSMA/CD 501

17.2.2 La fentre de collision 503

17.2.3 Lalgorithme du BEB 504

17.2.4 Le silence inter-message (IFG, InterFrame Gap) 505

17.2.5 Le format des trames Ethernet/IEEE 802.3 505

17.2.6 Les erreurs 506

17.3 Les diffrentes versions dEthernet 506

17.3.1 Prsentation 506

17.3.2 LEthernet pais, IEEE 802.3 10Base5 507

17.3.3 LEthernet n, IEEE 802.3 10Base2 508DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

XVI Rseaux et tlcoms

17.3.4 LEthernet sur paires torsades, IEEE 802.3 10BaseT 509

17.3.5 LEthernet 100 Mbit/s 511

17.3.6 Le Gigabit Ethernet 513

17.3.7 Le 10 Gigabit Ethernet 517

17.3.8 Le devenir dEthernet 518

17.4 LEthernet sans l 518

17.4.1 Gnralits 518

17.4.2 La problmatique de laccs aux rseaux sans l 519

17.4.3 Larchitecture gnrale des rseaux sans l 520

17.4.4 Les rseaux 802.11 522

17.4.5 Les rseaux IEEE 802.15-1 (Bluetooth) 536

17.5 Conclusion 541

EXERCICES 542

CHAPITRE 18

PONTAGE, COMMUTATION ET VLAN 545

18.1 Pont ou commutateur ? 545

18.2 Les ponts 546

18.2.1 Gnralits 546

18.2.2 Les diffrents types de ponts 547

18.2.3 Les ponts transparents 547

18.2.4 Le Spanning Tree Protocol (STP) ou arbre recouvrant 549

18.2.5 Les ponts routage par la source 553

18.2.6 Le pontage par translation 555

18.3 La commutation dans les LAN 556

18.3.1 Principe de base 556

18.3.2 Notion darchitecture des commutateurs 557

18.3.3 Les diffrentes techniques de commutation 559

18.3.4 Les diffrents modes de commutation 559

18.3.5 Ethernet full duplex 560

18.3.6 Pontage, commutation et trac multicast 560

18.4 Les rseaux virtuels ou VLAN (Virtual Local Area Network) 562

18.4.1 Principes gnraux des VLAN 562

18.4.2 Les diffrents niveaux de VLAN 563

18.4.3 Lidentication des VLAN (802.1Q) 564

18.5 Conclusion 567

EXERCICES 568

CHAPITRE 19

INTERCONNEXION DES RSEAUX ET QUALIT DE SERVICE 571

19.1 Linterconnexion des rseaux, gnralits 571

19.1.1 Dnition 571

19.1.2 Les problmes lis linterconnexion 571

19.1.3 Les notions de conversion de service et de protocole 572

19.1.4 Lencapsulation ou tunneling 572

Table des matires XVII

19.2 Les lments dinterconnexion (relais) 576

19.2.1 Dnitions 576

19.2.2 Les rpteurs 577

19.2.3 Les ponts 578

19.2.4 Les routeurs 579

19.3 Les techniques de routage 582

19.3.1 Gnralits 582

19.3.2 Le routage vecteur-distance, RIP 583

19.3.3 Le routage tat des liens (OSPF) 586

19.3.4 Le routage inter-domaine 595

19.4 Notions de qualit de service 597

19.4.1 Gnralits 597

19.4.2 Integrated Services 597

19.4.3 Differentiated Services 598

19.4.4 Mise en uvre dans les rseaux doprateur 602

19.5 Le multicast et le routage multicast 603

19.5.1 Introduction au multicast 603

19.5.2 Rappel sur ladressage multicast 604

19.5.3 Le protocole local IGMP (RFC 2236) 605

19.5.4 Les protocoles de routage multicast 605

19.6 Les fonctions annexes des routeurs 607

19.6.1 Les routeurs multiprotocoles 607

19.6.2 La compression de donnes 608

19.6.3 Le routage la demande (Dial on Demand) 609

19.6.4 La bande passante la demande (Bandwith on Demand) 609

19.7 Les passerelles applicatives 610

EXERCICES 611

PARTIE IV

LA VOIX DANS LES RSEAUX 615

CHAPITRE 20

INTRODUCTION LA TLPHONIE 617

20.1 Principes gnraux de la tlphonie 617

20.2 Lorganisation du rseau tlphonique 618

20.2.1 Larchitecture traditionnelle 618

20.2.2 La gestion du rseau 619

20.3 Ltablissement dune communication tlphonique 620

20.3.1 Principe dun poste tlphonique 620

20.3.2 Principe du raccordement dusager 620

20.3.3 La mise en relation Usager/Usager 621

20.3.4 La numrotation 623

20.3.5 Les modes de signalisation 624DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

XVIII Rseaux et tlcoms

20.4 Lvolution de la tlphonie, le RNIS 625

20.4.1 De laccs analogique laccs numrique 625

20.4.2 Le concept dintgration de services 626

20.4.3 La structure du rseau 627

20.4.4 Le raccordement dusager 628

20.4.5 Les services du RNIS 630

20.4.6 La signalisation et le rseau RNIS 632

20.5 La tlphonie et la mobilit 643

20.5.1 Principes gnraux 643

20.5.2 La gestion de labonn et du terminal 645

20.5.3 Linterface radio 646

20.5.4 Description succincte des diffrents systmes en service 649

20.5.5 Le service transport de donnes sur la tlphonie mobile 649

20.5.6 La mobilit et laccs Internet 650

20.5.7 Lvolution des systmes de tlphonie mobile, lUMTS 651

20.5.8 La tlphonie satellitaire 652

20.6 Conclusion 653

EXERCICES 654

CHAPITRE 21

INSTALLATION DABONN ET RSEAU PRIV DE TLPHONIE 655

21.1 Les autocommutateurs privs 655

21.1.1 Gnralits 655

21.1.2 Architecture dun PABX 656

21.1.3 Les tlservices et applications vocales offerts par les PABX 656

21.1.4 PABX et transmission de donnes 661

21.2 Linstallation dabonn 662

21.2.1 Gnralits 662

21.2.2 Le dimensionnement du raccordement au rseau de loprateur 663

21.3 Les rseaux privs de PABX 665


21.3.2 La signalisation et type de liens 667

21.4 Principes des rseaux voix/donnes 675

21.4.1 Gnralits 675

21.4.2 Les rseaux de multiplexeurs 675

21.4.3 La voix paqutise 676

21.5 La voix sur ATM 683

21.6 La voix sur le Frame Relay 685

21.7 La voix et tlphonie sur IP 687

21.7.1 Gnralits 687

21.7.2 TCP/IP et le transport de la voix 688

21.7.3 Les terminaux 691

21.7.4 Les architectures et protocoles de signalisation 693

Table des matires XIX

21.8 Conclusion 703

EXERCICES 704

PARTIE V

ADMINISTRATION ET INGNIERIE 707

CHAPITRE 22

ADMINISTRATION DES RSEAUX PRINCIPES GNRAUX 709

22.1 Gnralits 709

22.1.1 Dnition 709

22.1.2 Principe gnral 709

22.1.3 Structure dun systme dadministration 710

22.2 Ladministration vue par lISO 710

22.2.1 Gnralits 710

22.2.2 Les diffrents modles 711

22.3 Ladministration dans lenvironnement TCP/IP 714


22.3.2 Les MIB 715

22.3.3 Le protocole SNMP 717

22.4 SNMP et ISO 719

22.5 Les plates-formes dadministration 719

22.5.1 Les outils dadministration des couches basses 719

22.5.2 Les hyperviseurs 719

22.5.3 Les systmes intgrs au systme dexploitation 720

22.6 Conclusion 720

EXERCICES 721

CHAPITRE 23

LA SCURIT DES SYSTMES DINFORMATION 723

23.1 Gnralits 723

23.2 La sret de fonctionnement 723

23.2.1 Principes gnraux de la sret 723

23.2.2 Les systmes tolrance de panne 723

23.2.3 La sret environnementale 726

23.2.4 Quantication 728

23.3 La scurit 730

23.3.1 Gnralits 730

23.3.2 La protection des donnes 730

23.3.3 La protection du rseau 741

23.4 Le commerce lectronique 749

23.4.1 Le paiement off-line (e-cash) 749

23.4.2 Le paiement on-line 749

23.5 Conclusion 750

EXERCICES 751DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

XX Rseaux et tlcoms

CHAPITRE 24

NOTIONS DINGNIERIE DES RSEAUX 755

24.1 Gnralits 755

24.2 Les services et la tarication 756

24.3 Les lments darchitecture rseaux 756

24.3.1 La structure de base des rseaux 756

24.3.2 La conception du rseau de desserte 757

24.3.3 La conception du rseau dorsal 759

24.4 Le dimensionnement et lvaluation des performances 760

24.4.1 Gnralits 760

24.4.2 Les rseaux en mode circuit 760

24.4.3 Les rseaux en mode paquet 763

24.5 Conclusion 768

EXERCICES 769

SOLUTIONS DES EXERCICES 773

SYNTHSE DES FONDAMENTAUX 879

GLOSSAIRE 885

ANNEXES 919

A. Normalisation 919

B. Quelques dnitions 921

C. Abaques dErlang 922

D. Liste des abrviations et sigles utiliss 924

BIBLIOGRAPHIE 931

INDEX 933

Avant-propos

Les tlcommunications recouvrent toutes les techniques (laires, radio, optiques...) de transfert

dinformation quelle quen soit la nature (symboles, crits, images xes ou animes, son, ou autres).

Ce mot, introduit en 1904 par douard Estauni (polytechnicien, ingnieur gnral des tlgraphes,

1862-1942), fut consacr en 1932 la confrence de Madrid qui dcida de rebaptiser lUnion

tlgraphique internationale en Union internationale des tlcommunications (UIT).

Aujourdhui, avec la dferlante Internet, les tlcommunications ont dbord les domaines de la

tlgraphie et de la tlphonie. Une re nouvelle est ne, celle de la communication. Cette rvolu-

tion na t rendue possible que par une formidable volution des technologies. Les progrs raliss

dans le traitement du signal ont permis la banalisation des ux de donnes et la convergence des

techniques. Cette convergence implique de la part des professionnels une adaptation permanente.

Cette dernire ne sera possible que si lingnieur ou le technicien possde une base de connais-

sances sufsamment vaste ; cest lobjectif de cet ouvrage. partir de linformation et de sa repr-

sentation en machine, Rseaux et Tlcoms conduit le lecteur des techniques de base des tlcom-

munications lingnierie des rseaux.

Cette nouvelle dition a intgr les nouvelles technologies qui mergentes hier sont une ralit

aujourdhui. Abondamment illustr et avec plus de 130 exercices ou problmes rseau, cet ouvrage

constitue une base de savoir indispensable aux techniciens rseau et aux tudiants.

La premire partie est consacre ltude des concepts fondamentaux : la reprsentation des

donnes, les techniques de base de la transmission de donnes et la mutualisation des ressources

qui trouve sa concrtisation dans le concept de rseau, sont tudies en dtail.

La seconde partie formalise ces concepts en dcrivant le principe des architectures protocolaires

de rseaux. Ltude de TCP/IP, de son volution et dIPv6 y tiennent une place importante.

La troisime partie est consacre la mise en uvre des techniques tudies prcdemment dans

la ralisation de rseaux de transport dinformation (rseaux longue distance) et de la diffusion de

celle-ci (rseaux locaux). Ltude du protocole X.25 a t maintenue, mais une large place a t

octroye MPLS et au concept de VPN. Les rseaux locaux, notamment dans la version Ethernet,

y sont largement dtaills ainsi que la mise en uvre des rseaux virtuels (VLAN). Enn, les

notions dinterconnexion et de qualit de service concluent cette partie.

XXII Rseaux et tlcoms

La quatrime partie est ddie ltude des rseaux voix et celle de la convergence de la voix,

de la donne et des images. Aprs ltude des solutions de tlphonie traditionnelle, les rseaux

voix/donnes et en particulier ltude de la voix sur IP font lobjet dun long dveloppement.

Enn, la cinquime partie conclut cet ouvrage par ltude de ladministration des rseaux, de la

scurit et de lingnierie des rseaux.

Ltude thorique de chaque chapitre est illustre ou complte par de nombreux exercices, pro-

blmes ou tudes de cas qui pour lessentiel sont extraits des sujets dexamen de mes enseignements

au Conservatoire national des Arts et Mtiers de Paris.

Partie I

Concepts fondamentaux

1 Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission . . . . . . . . . . . . . 3

1.1 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 La reprsentation de linformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 La compression de donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.4 La notion de qualit de service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

EXERCICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2 Les supports de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.2 Les caractristiques des supports de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.3 Les supports guids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

EXERCICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3 lments de base de la transmission de donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.2 Lorganisation fonctionnelle et physique des changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.3 Le mode dadaptation au support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.4 La jonction DTE/DCE ou interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

EXERCICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105

2 Rseaux et tlcoms

4 Notions de protocoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.1 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.2 Les type de liaisons et leur contrle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4.3 Les fonctions lmentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.4 La signalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.5 Ltude succincte dun protocole de transmission (HDLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

EXERCICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145

5 Mutualisation des ressources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.2 La quantication de trac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

5.3 Les concentrateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.4 Les multiplexeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

5.5 Le multiplexage et laccs linterface radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161

5.6 Le concept de rseau commutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165

5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

EXERCICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .175

6 Les rseaux commutation de paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6.1 Gnralits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

6.2 Les performances de la commutation de paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

6.3 Du mode datagramme au mode connect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.4 La notion dadressage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.5 La notion de nommage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

6.6 Lacheminement dans le rseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.7 Ladaptation de la taille des units de donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

6.8 La congestion dans les rseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

6.9 La voix dans les rseaux en mode paquet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

6.10 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

EXERCICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .209

Chapitre 1

Linformation et sa reprsentation

dans les systmes de transmission

1.1 GNRALITS

1.1.1 Les ux dinformation

Lvolution des besoins et des applications informatiques conduit lacheminement, dans un mme

rseau de donnes informatiques traditionnelles (texte), de la voix et de la vido. Transporter sur

un mme systme physique des ux dinformation de natures diffrentes ncessite que chacun

deux ait une reprsentation physique identique et que le systme de transmission ait la capacit de

prendre en compte les contraintes spciques chaque type de ux (gure 1.1).

Voix interactive

Sons

Donnes

multimdia

Donnes

Vido

Poste de travail

multimdia

Rseau de transport

Figure 1.1 Le rseau et les diffrents ux dinformation.

An de qualier ces diffrents ux vis--vis du systme de transmission, nous dnirons suc-

cinctement les caractristiques essentielles dun rseau de transmission

1

. Ensuite, nous examine-

rons le mode de reprsentation de ces informations. Enn, nous appliquerons les rsultats aux

donnes, la voix et limage pour en dduire les contraintes de transfert spciques chaque

type de ux.

1. Ces diffrentes notions seront revues et approfondies dans la suite de cet ouvrage.

4 1

Linformation et sa reprsentation dans les systmes de transmission

1.1.2 Les caractristiques des rseaux de transmission

Notion de dbit binaire

Les systmes de traitement de linformation emploient une logique deux tats dite binaire .

Pour y tre traite, linformation doit tre traduite en symboles comprhensibles et manipulables

par ces systmes. Selon le type dinformation transformer, lopration qui consiste transformer

les donnes en lments binaires sappelle le codage ou numrisation.

On appelle dbit binaire (D) le nombre dlments binaires, ou nombre de bits, mis sur le

support de transmission pendant une unit de temps. Le dbit binaire est gnralement la grandeur

utilise en premier pour qualier un systme de transmission ; il sexprime par la relation :

D =

V

t

avec D (dbit) en bits

2

par seconde (bit/s),

V volume transmettre exprim en bits,

t dure de la transmission en seconde.

Le dbit binaire mesure le nombre dlments binaires transitant sur le canal de transmission

pendant lunit de temps (gure 1.2).

Source

Destination

(Puits)

Canal de transmission

Figure 1.2 La schmatisation dun systme de transmission.

Notion de rapport signal sur bruit

Durant la transmission, les signaux lectriques peuvent tre perturbs par des phnomnes lec-

triques ou lectromagntiques dorigine externe dsigns sous le terme gnrique de bruit. Le

bruit est un phnomne qui dnature le signal et qui est susceptible dintroduire des erreurs dinter-

prtation du signal reu (gure 1.3).

S

N

+V

Signal sans bruit Signal avec bruit

t t

Figure 1.3 Le signal pollu par le bruit.

2. Lunit ofcielle de dbit est le bit/s (invariable). Labrviation bps pouvant tre confondue avec byte par seconde ne

sera pas utilise dans cet ouvrage. Rappelons que le terme bit provient de la contraction des termes binary digit .

1.1 Gnralits 5

Les capacits de transport dinformation (dbit) sont directement lies au rapport entre la puis-

sance du signal utile et celle du signal de bruit. Ce rapport, appel rapport signal sur bruit (SNR,

Signal Noise Ratio que nous noterons S/N), sexprime en dB (dcibel

3

), formule dans laquelle S

reprsente la puissance lectrique du signal transmis et N la puissance du signal parasite ou bruit

affectant le canal de transmission :

S/N

dB

= 10 log

10

(S/N)

(en puissance)

Notion derreur et de taux derreur

Les phnomnes parasites (bruit) perturbent le canal de transmission et peuvent affecter les infor-

mations en modiant un ou plusieurs bits du message transmis, introduisant ainsi des erreurs dans

le message (gure 1.4).

+V

Parasite

"0"

"1"

"0"

"1""1"

(Bruit impulsif)

+V

"0"

"1"

"0"

"1"

Train de bits mis Train de bits reus

Figure 1.4 Leffet dune erreur sur le train binaire.

On appelle taux derreur binaire (Te ou BER, Bit Error Rate) le rapport du nombre de bits

reus en erreur au nombre de bits total transmis.

Te =

Nombre de bits en erreur

Nombre de bits transmis

Notion de temps de transfert

Le temps de transfert, appel aussi temps de transit ou temps de latence, mesure le temps entre

lmission dun bit, lentre du rseau et sa rception en sortie de ce dernier. Ce temps prend en

compte le temps de propagation sur le ou les supports et le temps de traitement par les lments

actifs du rseau (nuds).

Dans un rseau, le temps de transfert nest pas une constante, il varie en fonction de la charge

du rseau. Cette variation est appele gigue ou jitter. Le temps de transfert conditionne le bon

fonctionnement des applications interactives, sa variation le transfert correct dinformation comme

la voix ou la vido.

Notion de spectre du signal

Le mathmaticien franais Joseph Fourier (1768-1830) a montr que tout signal priodique de

forme quelconque pouvait tre dcompos en une somme de signaux lmentaires sinusodaux

3. Le dcibel ou dB (10

e

du Bel) est une unit logarithmique sans dimension. Elle exprime le rapport entre deux gran-

deurs de mme nature. Le rapport signal/bruit peut aussi sexprimer par le rapport des tensions, la valeur est alors

S/N

dB

= 20 log

10

(S/N)

(en tension)

DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

6 1


(fondamental et harmoniques) superpose une valeur moyenne (composante continue) qui pou-

vait tre nulle. Lensemble de ces composantes forme le spectre du signal ou bande de frquence

occupe par le signal (largeur de bande).

1.2 LA REPRSENTATION DE LINFORMATION

1.2.1 Les diffrents types dinformation

Les informations peuvent tre rparties en deux grandes catgories selon ce quelles reprsentent

et les transformations quelles subissent pour tre traites dans les systmes informatiques. On

distingue :

Les donnes discrtes, linformation correspond lassemblage dune suite dlments ind-

pendants les uns des autres (suite discontinue de valeurs) et dnombrables (ensemble ni).

Par exemple, un texte est une association de mots eux-mmes composs de lettres (symboles

lmentaires).

Les donnes continues ou analogiques (gure 1.5) rsultent de la variation continue dun

phnomne physique : temprature, voix, image... Un capteur fournit une tension lectrique

qui varie de manire analogue lamplitude du phnomne physique analyser : signal ana-

logique. Dans un intervalle dtermin (bornes) aussi petit que possible, un signal analogique

peut toujours prendre une innit de valeurs. Par exemple pour passer 10

C 11

C, la tem-

prature prend, entre ces deux valeurs, une innit de valeurs sans aucune discontinuit entre

elles (fonction continue).

Capteur

(micro)

Transducteur

(haut parleur)

Ligne analogique

Figure 1.5 Le signal analogique.

Pour tre traites par des quipements informatiques, les informations doivent tre reprsentes

par une valeur binaire (codage la source). Le codage la source est plus spciquement appel

codage de linformation pour les informations discrtes et numrisation de linformation pour les

informations analogiques.

1.2.2 Le codage des informations

Dnition

Coder linformation consiste faire correspondre (bijection) chaque symbole dun alphabet (l-

ment coder) une reprsentation binaire (mot code). Lensemble des mots codes constitue le code

(gure 1.6). Ces informations peuvent aussi bien tre un ensemble de commandes dune machine

outil, des caractres alphanumriques... Seuls seront traits ici les codages alphanumriques utiliss

dans les systmes de traitement de donnes. Ces codes peuvent contenir :

Des chiffres de la numrotation usuelle [0..9] ;

Des lettres de lalphabet [a..z, A..Z] ;


Des symboles nationaux [, ,...] ;

Des symboles de ponctuation [, ; : . ? ! ...] ;

Des symboles semi graphiques [ ] ;

Des commandes ncessaires au systme [saut de ligne, saut de page, etc.]

A

1000001

B

C

1000010

1000011

Code

mot code

Codage

Alphabet

Symbole

coder

Figure 1.6 Le principe du codage des donnes.

Les diffrents types de code

Le codage des diffrents tats dun systme peut senvisager selon deux approches. La premire,

la plus simple, considre que chacun des tats du systme est quiprobable. La seconde prend en

compte la frquence dapparition dun tat. Ceci nous conduit dnir deux types de code : les

codes de longueur xe et ceux de longueur variable.

Les codes de longueur xe

Notion de quantit dinformation

Chaque tat du systme est cod par un certain nombre de bits (n), appel longueur du code, lon-

gueur du mot code ou encore code n moments. Ainsi,

avec 1 bit, on peut coder 2 tats (0,1)

avec 2 bits 4 tats (00, 01, 10, 11)

avec 3 bits 8 tats (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111)

Dune manire gnrale :

avec n bits, on code 2

n

tats

Le nombre dtats pouvant tre cods par un code de n bits sappelle puissance lexicographique

du code que lon note :

P = 2

n

En gnralisant, le nombre de bits ncessaires pour coder P tats est n, tel que :

2

(n 1)

< P 2

n

Soit, en se rappelant que le logarithme dun nombre N est le nombre par lequel il faut lever la

base pour retrouver ce nombre (N = base

log N

), par exemple, le logarithme de 8 base 2 est 3 car

2

3

= 8 ; on peut alors crire :

n = log

2

P


8 1


Dans cette formule, le nombre de bits (n) reprsente la quantit dinformation (Q) dun mot

du code. Lorsque dans un systme, tous les tats sont quiprobables ou considrs comme tel,

la quantit dinformation apporte par la connaissance dun tat est la mme quel que soit ltat

connu ; le codage qui en rsulte est alors dit longueur xe.

Linformation lmentaire est reprsente par deux valeurs quiprobables (0 ou 1, pile ou face...),

la quantit dinformation apporte par la connaissance de lun des tats est :

Q = log

2

2 = 1 shannon ou 1 bit.

La quantit dinformationQ sexprime en shannon

4

ou plus simplement en bit. Le bit est la quan-

tit dinformation qui correspond au lever de doute entre deux symboles quiprobables. Lorsque

tous les tats ne sont pas quiprobables, la quantit dinformation est dautant plus grande que la

probabilit de ralisation de ltat est faible. Si p est la probabilit de ralisation de ltat P, la

quantit dinformation apporte par la connaissance de P est :

Q = log

2

1/p

Application

En supposant quiprobable lapparition de chaque lettre, combien de bits sont ncessaires pour

coder toutes les lettres de lalphabet et quelle est la quantit dinformation contenue dans la repr-

sentation code dune lettre ?

Le nombre de bits ncessaires, pour coder P valeurs, est donn par la relation :

2

(n1)

< P 2

n

si P = 26 on a 2

4

< 26 2

5

soit un code de longueur 5 bits pour coder les 26 lments. La quantit dinformation contenue

dans un mot code est de 5 bits.

Cependant, la quantit dinformation apporte par la connaissance dun caractre nest que de :

Q = log

2

(1/p)

o p reprsente la probabilit dapparition dun symbole. Ici p = 1/26

Q = log

2

(26) = 3,32 log

10

(26) = 3,32 1,4149 = 4,69 shannons ou bits

Les principaux codes de longueur xe

Les codes usuels utilisent cinq lments (code Baudot), sept lments (code ASCII appel aussi

CCITT n

5 ou encore IA5) ou huit lments (EBCDIC).

Le code Baudot, code tlgraphique cinq moments ou alphabet international n

2 ou encore

CCITT n

2, est utilis dans le rseau tlex. Le code Baudot autorise 2

5

soit 32 caractres, ce qui est

insufsant pour reprsenter toutes les lettres de lalphabet (26), les chiffres (10) et les commandes

4. Les premiers travaux sur la thorie de linformation sont dus Nyquist (1924). La thorie de linformation fut dve-

loppe par Shannon en 1949. Les principes tablis cette poque rgissent toujours les systmes de transmission de

linformation.


(Fin de ligne...). Deux caractres particuliers permettent la slection de deux pages de codes soit

au total une potentialit de reprsentation de 60 caractres.

Le code ASCII (gure 1.7), American Standard Code for Information Interchange, dont la pre-

mire version date de 1963, est le code gnrique des tlcommunications. Code sept moments,

il autorise 128 caractres (2

7

). Les 32 premiers symboles correspondent des commandes utilises

dans certains protocoles de transmission pour en contrler lexcution. La norme de base pr-

voit des adaptations aux particularits nationales (adaptation la langue). Ce code, tendu huit

moments, constitue lalphabet de base des micro-ordinateurs de type PC.

1 SOH DC1 ! 1

1 0

2 STX DC2 " 2

1 1

3 ETX DC3 3

0 0

4 EOT DC4 $ 4

0 1

5 ENQ NAK % 5

1 0

6 ACK SYN ' 6

1 1

7 BEL ETB ( 7

0 0

8 BS CAN ) 8

0 1

9 HT EM . 9

1 0

A LF SUB :

Caractres nationaux

Jeu de commandes

Symbole Signication

ACK Acknowledge Accus de rception

BEL Bell Sonnerie

BS Backspace Retour arrire

CAN Cancel Annulation

CR Carriage Return Retour chariot

DC Device control Commande dappareil auxiliaire

DEL Delete Oblitration

DLE Data Link Escape Caractre dchappement

EM End Medium Fin de support

ENQ Enquiry Demande

EOT End Of Transmission Fin de communication

ESC Escape chappement

ETB End of Transmission Block Fin de bloc de transmission

ETX End Of Text Fin de texte

FE Format Effector Commande de mise en page

FF Form Feed Prsentation de formule

Figure 1.7 Le code ASCII.


10 1


Symbole Signication Symbole

FS File Separator Sparateur de chiers

GS Group Separator Sparateur de groupes

HT Horizontal Tabulation Tabulation horizontale

LF Line Feed Interligne

NAK Negative Acknowledge Accus de rception ngatif

NUL Null Nul

RS Record Separator Sparateur darticles

SI Shift IN En code

SO Shift Out Hors code

SOH Start Of Heading Dbut den-tte

SP Space Espace

STX Start Of Text Dbut du texte

SYN Synchronous idle Synchronisation

TC Transmission Control Commande de transmission

US Unit Separator Sparateur de sous-article

VT Vertical Tabulation Tabulation verticale

Figure 1.7 Le code ASCII. (suite)

Le code EBCDIC, Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, code huit moments,

dorigine IBM, est utilis dans les ordinateurs du constructeur. Le code EBCDIC a, aussi, t adopt

par dautres constructeurs (notamment Bull) pour leurs calculateurs.

Les codes de longueur variable

Lorsque les tats du systme ne sont pas quiprobables, la quantit dinformation apporte par la

connaissance dun tat est dautant plus grande que cet tat a une faible probabilit de se raliser.

La quantit moyenne dinformation apporte par la connaissance dun tat, appele entropie, est

donne par la relation :

H =

i=n

i=1

p

i

log

2

1

p

i

o p

i

reprsente la probabilit dapparition du symbole de rang i.

Lentropie reprsente la longueur optimale du codage des symboles du systme. Dterminons la

longueur optimale du code (entropie) pour le systme dcrit par le tableau suivant. des ns de

simplicit, chaque tat est identi par une lettre.

tat Probabilit

E 0,48

A 0,21

S 0,12

T 0,08

U 0,06

Y 0,05


La longueur optimale du mot code est :

H = (0,48 log

2

0,48 + 0,21 log

2

0,21 + 0,12 log

2

0,12 + 0,08 log

2

0,08

+ 0,06 log

2

0,06 + 0,05 log

2

0,05)

H = 3,32 [(0,48 log

10

0,48 + 0,21 log

10

0,21 + 0,12 log

10

0,12

+ 0,08 log

10

0,08 + 0,06 log

10

0,06 + 0,05 log

10

0,05)]

H = 2,09 bits

Le codage optimal devrait conduire construire un code dont la longueur moyenne serait de

2,09 bit, alors que lutilisation dun code longueur xe ncessite 3 bits pour coder les six tats de

ce systme (2

2

< 6 2

3

).

Il nexiste pas de code qui permette datteindre cette limite thorique. Cependant, Huffman intro-

duit en 1952 une mthode de codage (codage dentropie) qui prend en compte la frquence doc-

currence des tats et qui se rapproche de cette limite thorique.

partir du tableau prcdent, construisons le code de Huffman correspondant (gure 1.8) :

1. Dnombrez les diffrents tats du systme et crez la table des symboles.

2. Classez ces symboles par ordre des frquences dcroissantes (occurrence).

3. Ralisez des rductions successives en rassemblant les deux occurrences de plus petite frquence

en une nouvelle occurrence.

4. Insrez la nouvelle occurrence obtenue dans la table et trier celle-ci nouveau par ordre dcrois-

sant.

5. Poursuivez les rductions jusqu ce quil ny ait plus dlment (rptition des tapes 3, 4, 5).

6. Construisez larbre binaire en reliant chaque occurrence la racine.

7. tablissez le code en lisant larbre construit du sommet aux feuilles et en attribuant par exemple

la valeur 0 aux branches basses et 1 aux branches hautes.

1

0

1

0

1

0

1

0

1

0

E48 E48 E48 48 52

100

A21 A21 A21

E

31 48

S12 S12 19 A21

T8 11 S12

U6 T8

Y5

Occurrence Code

E

0

A

10

S

110

T

1110

U

11111

Y

11110

Figure 1.8 Larbre dHuffman.

La longueur moyenne (Lmoy) du code est de :

Lmoy = 0,48 1 + 0,21 2 + 0,12 3 + 0,08 4 + 0,06 5 + 0,05 5 = 2,13


12 1


Dans cet exemple, on peut remarquer quaucun des mots codes obtenus ne peut tre confondu

avec le dbut dun autre. Le codage est dit prx. Le codage de Huffman permet de rduire le

nombre de bits utiliss pour coder linformation. Dpendant du contexte, il impose, avant la trans-

mission, dtablir une convention (Huffman modi, utilis en tlcopie groupe 3) ou de trans-

mettre, avant les donnes, le contenu de la table construite par lmetteur sur un chantillon ou sur

la totalit des donnes transfrer.

Du code ASCII lUnicode

Le codage ASCII (7 bits) ou ISO-646 ne permet de coder que 128 symboles ; il ne rserve que sept

valeurs pour prendre en compte les particularits nationales. Linternationalisation des communi-

cations, notamment avec Internet, a mis au premier plan les problmes de codage des textes et a

rvl les insufsances du codage ASCII.

Une premire extension a t ralise par la norme ISO-8859-x (8 bits). ISO-8859-x utilise les

128 premiers caractres du code ASCII (32 codes de commandes et 96 codes de caractres), le

symbole x renvoie vers des tables qui compltent le jeu originel autorisant ainsi les critures

base de caractres latins, cyrilliques, arabes, grecs et hbraques. Le codage ISO-8859-x doit tre

prfr, sur Internet, tout autre code chaque fois que cela est possible.

Le dcodage dun texte ncessite que le destinataire connaisse et identie le code utilis. Ceci

a conduit dnir un code unique sur 16 ou 32 bits permettant la reprsentation de pratiquement

toutes les langues crites du monde : lUnicode (16 bits) qui reprend les spcications du code

ISO 10646 UCS-2 (Universal Character Set).

1.2.3 La numrisation des informations

Principe

Numriser une grandeur analogique consiste transformer la suite continue de valeurs de la gran-

deur analogique en une suite de valeurs discrtes nies. cet effet, on prlve, des instants

signicatifs, un chantillon du signal et on exprime son amplitude par rapport une chelle nie

(quantication).

partir des valeurs transmises, le rcepteur reconstitue le signal dorigine. Une restitution dle

du signal ncessite que soient dnis :

un intervalle dchantillonnage qui doit tre une constante du systme (frquence dchan-

tillonnage) ;

une amplitude de lchelle de quantication, celle-ci doit tre sufsante pour reproduire la

dynamique du signal (diffrence damplitude entre la valeur la plus faible et la valeur la plus

forte) ;

des mcanismes pour garantir que le systme de transmission respecte les intervalles temporels

entre chaque chantillon.

La gure 1.9 reprsente les diffrentes tapes de la numrisation du signal. intervalle rgulier

(priode dchantillonnage), on prlve une fraction du signal (chantillon). Puis, on fait corres-

pondre lamplitude de chaque chantillon une valeur discrte (quantication dite quantication

scalaire) ; cette valeur est ensuite transforme en valeur binaire (codication).


Signal numriser

Instants dchantillonnage

t

Echantillons

8

9

6

4

8

12

11

8 9 6 4 8 12 11

Quantification

Codage et transmission

Echelle de

quantification

Figure 1.9 La numrisation dun signal analogique.

Alors que le phnomne quantier varie de faon continue, la quantication dnit des valeurs

en escalier dites pas de quantication . Aussi, quel que soit le nombre de niveaux utiliss, une

approximation est ncessaire ; celle-ci introduit une erreur dite erreur de quantication ou bruit

de quantication correspondant la diffrence entre la valeur relle de lchantillon et la valeur

quantie

5

.

Pour reproduire correctement le signal larrive, le rcepteur doit disposer dun minimum

dchantillons. Il existe donc une relation troite entre la frquence maximale des variations du

signal discrtiser et le nombre dchantillons prlever.

Soit un signal dont le spectre (largeur de bande) est limit et dont la borne suprieure vaut F

max

,

Shannon a montr que si F

e

est la frquence dchantillonnage, le spectre du signal chantillonn

est le double de F

max

et est centr autour de F

e

, 2F

e

... nF

e

. Par consquent, pour viter tout recou-

vrement de spectre (interfrence), le signal chantillonner doit tre born (ltr) une frquence

suprieure telle que F

max

soit infrieure la moiti de lintervalle dcartement des spectres (F

e

).

La gure 1.10 illustre cette relation appele relation de Shannon.

On en dduit que la frquence minimale dchantillonnage (frquence de Nyquist) dun signal

doit tre le double de la frquence maximale du signal chantillonner. Pour rpondre cette

5. La qualit du signal restitu peut tre apprcie par la mesure de lerreur quadratique moyenne (EQM) dont la valeur

est :

EQM =

1

n

n

i=1

2

i

Avec n nombre dchantillons et lerreur sur lchantillon i.

On utilise aussi une valeur drive, le PSNR (Peak Signal Noise Ratio) ou rapport signal sur bruit de crte :

PSNR = 10 log

10

N 1

EQM

o N est le nombre de niveaux de quantication.

On estime que la restitution est correcte lorsque le PSNR > 30 dB.


14 1


-Fmax +Fmax

Fe

-Fmax +Fmax

2Fe

+Fmax

Spectre du

signal origine

Spectre du signal chantillonn

Frquences

2 Fmax

Figure 1.10 Le spectre dchantillonnage.

contrainte, la numrisation du signal sera toujours prcde dune calibration du spectre de fr-

quences. Cette opration est ralise par un ltre qui limine les frquences hautes (gure 1.11).

F

chantillon

2 F

max du signal

...0101

Signal

numrique

Echantillonneur

Fe

Quantificateur

Filtre

Fmax

Signal

analogique d'entre

Figure 1.11 La structure lmentaire dun convertisseur analogique/numrique.

Une reproduction correcte ncessite aussi que le systme de transmission respecte les intervalles

temporels entre chaque chantillon. Si le temps de transfert ou temps de latence varie dans le rseau,

le signal restitu nest plus conforme au signal dorigine (gure 1.12).

t t

Signal numris

soumis au rseau

RESEAU

Signal restitu en sortie

Figure 1.12 Inuence de la gigue sur la restitution du signal.

Les ux de donnes qui ncessitent une rcurrence temporelle stricte (gigue nulle) sont dits

isochrones et galement, par abus de langage, ux ou donnes temps rel.

Application la voix

Un canal tlphonique utilise une plage de frquence ou largeur de bande stendant de 300 Hz

3 400 Hz. Si, pour garantir un espace sufsant entre les diffrents sous-ensembles du spectre

(gure 1.10), on prend 4 000 Hz comme frquence de coupure du ltre dentre, la frquence

dchantillonnage minimale est de :

F

e

2 F

max

= 2 4 000 = 8 000 Hz


Soit 8 000 chantillons par seconde, ce qui correspond prlever un chantillon toutes les 125 s

(1/8 000). Pour une restitution correcte (dynamique

6

et rapport signal sur bruit), la voix devrait tre

quantie sur 12 bits (4 096 niveaux). Des contraintes de transmission en rapport avec le dbit

conduisent rduire cette bande. Lutilisation dune loi de quantication logarithmique permet de

ramener la reprsentation numrique de la voix 8 bits (7 bits pour lamplitude et un bit de signe),

tout en conservant une qualit de reproduction similaire celle obtenue avec une quantication

linaire sur 12 bits. Cette opration dite de compression est diffrente en Europe (loi A) et en

Amrique du Nord (loi ). En codant chaque chantillon sur 8 bits, il est ncessaire dcouler :

8 000 8 = 64 000 bits par seconde sur le lien,

Ce qui correspond un dbit de 64 000 bit/s. Le transport de la voix ayant t le premier trans-

fert dinformation ralis, cest naturellement lors de la numrisation des rseaux que le dbit de

64 kbit/s est devenu le dbit unitaire de rfrence. Les dbits offerts par les rseaux numriques

vont de 64 kbit/s un multiple entier de 64 kbit/s.

Application limage vido

La voix est un phnomne vibratoire, loreille peroit et interprte les variations de pression succes-

sives. Limage est analyse globalement par lil alors quelle ne peut tre transmise et reproduite

que squentiellement. La discrtisation de limage ncessite deux tapes : dabord une transforma-

tion espace/temps qui se concrtise par une analyse de celle-ci, ligne par ligne, puis une dcom-

position de chaque ligne en points (pixel), enn, la quantication de la valeur lumineuse du point,

valeur qui est transmise.

Limage monochrome

La reproduction dune image ncessite lanalyse et la quantication de lintensit lumineuse, ou

luminance, de chacun des points constituant limage (chantillon). La gure 1.13 schmatise lana-

lyse de limage et prsente le signal lectrique analogique rsultant dit signal de luminance et

not Y(t).

Signal de luminance

Trame N Trame N + 1

Synchro

trame

Synchro

ligne

Figure 1.13 Le principe de lanalyse dimage.

Limage est analyse de gauche droite ligne par ligne (balayage horizontal) et de haut en

bas (balayage vertical). Pour garantir le synchronisme entre le systme danalyse de lmetteur

et le systme de reproduction du rcepteur, une impulsion de synchronisation (synchronisation

6. La dynamique exprime le rapport entre les puissances maximale et minimale du signal.DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

16 1


ligne) est insre entre deux lignes successives. linstar de la synchronisation ligne, un signal

(synchronisation verticale ou trame) rinitialise le positionnement du systme de balayage pour

lanalyse dune nouvelle image. Les commandes de dplacement, horizontal et vertical, sexcutent

simultanment, de ce fait les lignes sont lgrement inclines. Lensemble des lignes constituant

une image constitue une trame. Lorsque lanalyse des lignes est ralise de faon continue limage

est dite progressive. Les paramtres de base dun systme de tlvision sont donc :

le format de limage ;

le nombre de lignes analyses par seconde, gnralement appele dnition verticale de

limage ;

le nombre dimages analyses par seconde.

lorigine, limage de tlvision a adopt le mme format que limage du cinma, ce format

sexprimant par le rapport entre la largeur de limage et sa hauteur (image 4:3 ou 1,33). Plus le

nombre de lignes danalyse est important, plus limage restitue est dle. Cependant, laugmenta-

tion du nombre de lignes accrot la bande passante (dbit) ncessaire la transmission de limage.

Le nombre de lignes est donc un compromis entre la qualit de limage et les contraintes de trans-

mission. Le nombre de lignes a t dni pour qu distance normale de lcran deux lignes suc-

cessives soient vues sous un angle infrieur 1 minute dangle

7

. Actuellement, ce nombre est de

625 lignes en Europe (576 lignes utiles ou visibles) et de 525 lignes en Amrique du Nord et au

Japon (480 lignes visibles).

La persistance rtinienne moyenne est denviron 0,1 seconde. Dans ces conditions, si le temps

entre lillumination du premier point en haut gauche et celle du dernier point en bas droite

est infrieure 0,1 seconde, lil verra une image et non pas un point. En consquence, le

nombre dimages doit tre dau moins 10 images/s. Cependant, limpression de mouvement uide

nest obtenue qu partir de 16 images/secondes (cinma muet). Pour avoir une reproduction

du son correcte, le cinma sonore a ncessit daugmenter le nombre dimages et de le porter

24 images/seconde (longueur physique du lm pour lempreinte sonore). Pour tenir compte

dventuels phnomnes stroboscopiques entre lafchage de limage et la tension dite de ron-

ement des alimentations, en tlvision, ce nombre a t x 25 images/seconde en Europe et

30 images/seconde en Amrique. En tlvision, compte tenu du systme spcique de reproduction

continue dun point et non de lafchage dune image complte comme le cinma, une reproduc-

tion 25 images/seconde provoque un effet de papillotement de limage. An daugmenter le

nombre dimages afches sans augmenter la bande passante, limage est analyse et reproduite

en deux trames successives. En Europe, la frquence image est donc de 25 images/seconde et

la frquence trames de 50 Hz (50

1

2

images par seconde), la premire trame analyse les lignes

impaires, la seconde les lignes paires. Ce systme est dit trames entrelaces (gure 1.14).

Limage colore

Une image colore peut tre analyse selon trois couleurs dites primaires de longueur donde

() dtermine. Pour reconstituer limage dorigine, il suft de superposer les trois images, cest

la synthse additive. La gure 1.15 reprsente le principe de la synthse additive. Le dosage de

chacune des sources lumineuses permet de reproduire toutes les couleurs.

7. Une personne dote dune vision de dix diximes ne peroit deux objets distincts que si lcart qui les spare est vu

sous un angle dau moins une minute dangle.


Ligne impaire

Ligne paire

Retour ligne

Retour trame

Figure 1.14 Le principe de lanalyse entrelace.

Chaque point de limage est reprsent par deux grandeurs, la luminance et la chrominance.

Ces grandeurs sont relies entre elles par la relation :

Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 B

o Y est la luminance (chelle des gris),

R lintensit de la composante de lumire rouge,

V celle de la composante de lumire verte,

B celle de la composante de lumire bleue.

r = 0,700m

v = 0,546m

b = 0,436m

Rouge

Bleu Vert

Magenta Jaune

Blanc

Cyan

B

R

V

Figure 1.15 La synthse additive.

Limage est dite RVB ou RGB (Red, Green, Blue), du nom des trois couleurs primaires rouge,

vert, bleu. En tlvision, pour assurer la compatibilit avec les tlviseurs monochromes, il faut

transmettre non seulement les informations de chrominance mais aussi celles de luminance (chelle

des gris).

Par consquent, linformation de luminance (Y) est transmise sans modication. Compte tenu

quil existe une relation mathmatique entre la luminance et les trois fondamentales, seules lesDunodLaphotocopienonautoriseestundlit

18 1


informations de couleur rouge (R) et bleue (B) sont transmises ; linformation de couleur verte

8

(V)

sera calcule par le rcepteur :

Y = 0,3 R + 0,59 V + 0,11 B

do

V = [Y (0,3 R + 0,11 B)] / 0,59

Les travaux de Bedford (mires de Bedford) ont mis en vidence que lil ne percevait pas la

couleur dans les dtails. Ds lors, on peut se contenter dune dnition moindre pour linformation

couleur que pour linformation monochrome (noir et blanc). Plusieurs schmas de rduction de la

bande chrominance ont t adopts, ceux-ci sont illustrs par la gure 1.16.

4:2:2 4:1:1 4:2:0

Rduction horizontale

de la dfinition de

l'image colore

Rduction verticale

de la dfinition de

l'image colore

Information de chrominance

Information de luminance (Y)

Nombre de points de luminance

Nombre de points de chrominance sur la mme ligne

Nombre de points de chrominance sur la ligne suivante

Figure 1.16 Le format de rduction de bande.

Le format de base adopte pour la tlvision est le 4:2:2 (quatre chantillons de luminance pour

deux chantillons de chrominance horizontal et vertical). Le format 4:1:1 est plus rducteur puisque

la dnition horizontale nest que le quart de la dnition verticale. Enn, dans le format dit 4:2:0,

linstar du format 4:2:2 la dnition horizontale de la chrominance est rduite de moiti, mais aussi

celle de chrominance verticale, puisque linformation de chrominance de la ligne N et rutilise

pour la ligne N+1 (une seule ligne danalyse de chrominance pour deux lignes reproduites).

Application la tlvision numrique

Le standard dune image de tlvision numrique au format europen (625 lignes, 25 Hz) est carac-

tris par :

le nombre de lignes utiles (visibles) par image x 576 ;

8. On ne transmet pas directement les informations de chrominance, mais les signaux dits de diffrence de couleur

Dr = RY, Db = BY, Dv = VY. Dans ces conditions, lamplitude du signal V tant la plus importante, la valeur Dv est

la plus faible, donc la plus sensible aux bruits de transmission. Cest cette analyse qui a conduit au choix de Dr et Db

comme signaux transmettre. Ce format est souvent dsign sous le terme de format YUV ou YCbCr.


le nombre de points par ligne dni 720

9

;

le nombre dimages par seconde dtermin 25 images (25 Hz).

Ainsi, on transmet :

720 points par ligne pour le signal Y ;

360 points pour chacune des couleurs B et R.

Au total 1 440 chantillons lmentaires par ligne sont analyss. En se satisfaisant dune quan-

tication sur 255 niveaux (8 bits, soit 16 millions de couleurs, plus que lil nest capable den

discerner), le nombre de bits ncessaires la reconstitution dune image (576 lignes) est donc de :

N(bits) = 1 440 8 576 = 6 635 520 bits

raison de 25 images par seconde (50 demi-images), il faut, pour transmettre une image anime,

un dbit minimal de :

D

min

= 6 635 520 25 = 166 Mbit/s.

Ce dbit, relativement important, a conduit rechercher des mthodes de codage particulires.

Un groupe de travail commun lISO et la CEI (Commission lectrotechnique internationale), le

Motion Picture Expert Group (MPEG), est charg de dnir les algorithmes normaliss de com-

pression dimages vido et du son associ.

Le codage de linformation de couleur

Les diffrents procds de tlvision couleur diffrent essentiellement par le codage adopt pour

transmettre les informations de couleur. Le premier systme public de tlvision a t mis au point

aux tats-Unis par le National Television Comitee do son nom de NTSC (National Television

System Comitee)

Dans le systme NTSC, les informations de couleur modulent en amplitude deux sous-porteuses

en quadrature. Le signal rellement mis est donc un vecteur dit vecteur de chrominance (Uc)

(gure 1.17).

Uc R Y B Y

tg

R Y

B Y

= +

=

2 2

Uc

R-Y

B-Y

Figure 1.17 Le codage de linformation de chrominance dans le systme NTSC.

9. titre de comparaison : le magntoscope VHS (Video Home System) 250 points/ligne ; le magntoscope SVHS 400

points/ligne.DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

20 1


Ce signal correspond une modulation damplitude et une modulation de phase. Toute altra-

tion de la phase du signal durant la transmission altre les nuances de couleur. Cest le principal

dfaut du systme NTSC.

Le systme PAL (Phase Alternance Line), dorigine allemande utilise le mme procd que le

systme NTSC, mais en corrige le principal dfaut en alternant chaque ligne la phase des signaux

de chrominance. De ce fait, les erreurs de couleur dues lerreur de phase sur une ligne sont

compenses par une erreur de couleur inverse sur la ligne suivante.

Le systme de tlvision couleur franais, d Henri de France, procde diffremment. Les

signaux de couleur sont mis successivement. Ainsi, par exemple, la ligne N correspond lmis-

sion des signauxDr, et la ligneN + 1 celle des signauxDb. Les signauxDr etDb tant ncessaires

simultanment pour reconstituer le signal Dv, lors de la rception de la ligne N, le signal est mis

en mmoire durant lintervalle de temps dune ligne, puis lors de la rception de la ligne suivante

le signal Dv est reconstitu partir du signal reu et du signal mmoris prcdemment et ainsi

de suite. Le procd est squentiel, il ncessite la mise en mmoire de linformation ligne do le

nom de SECAM pour SEquentiel Couleur A Mmoire. La gure 1.18 rsume les caractristiques

des diffrents standards de tlvision.

Standard

CCIR 601

Dnition

analogique

Dnition

luminance

Dnition

chrominance

Format

couleur

Entrelac Trames/s

NTSC 525/60 720x480 360x480 4:2:2 Oui 59,94

a

PAL 625/50 720x576 360x576 4:2:2 Oui 50

SECAM 625/50 720x576 720x288 4:2:2 Oui 50

a. lorigine, la frquence trame du systme de tlvision amricain tait de 60 Hz. Lors de la dnition dun systme

couleur, cette frquence a t lgrement modie pour tenir compte de la frquence de la sous-porteuse chrominance.

Figure 1.18 Synthse des standards de tlvision couleur.

Application la vidoconfrence

La vidoconfrence permet un groupe de personnes dentrer en communication. Selon le type

de moniteur vido utilis, on distingue la visioconfrence (cran dordinateur), la vidoconfrence

(moniteur ddi) ou la tlconfrence (tlviseur). Le systme assure la transmission de limage

(vido) et du son. Les principaux standards sont :

H.320 ou p*64 qui utilise le rseau tlphonique numrique en associant p canaux tlpho-

niques, avec 1 p 30. Le codage de la vido y est dni selon les recommandations de

lavis H.261 et H.263 (plus efcace).

H.323, pour la diffusion de ux multimdia sur des rseaux de transmission de donnes sans

qualit de service comme Internet.

Ces standards dnissent la pile protocolaire et les modes de codage de limage et du son. Le

codage vido est celui dni par le CCIR 4:2:2 YUV non entrelac (progressif). Ce codage est

un compromis entre les formats de tlvision NTSC et PAL. Pour sadapter au dbit du rseau,

plusieurs formats drivs de deux formats de base ont t dnis :

CIF (Common Intermediate Format).

QCIF (Quart-CIF).


De mme, en dbut de communication, le nombre dimages par seconde est ngoci entre les

diffrents agents. La frquence image est un sous-multiple de 30 : 30 Hz, 15 Hz, 10 Hz et 7,5 Hz.

La gure 1.19 fournit les relations entre les formats dimage et leurs implmentations dans les

normes de vidoconfrence.

sub-QCIF QCIF CIF 4CIF 16CIF

Format image 128x96 176x144 352x288 704x576 1408x1152

H.261 Optionnel Obligatoire Optionnel Non prvu Non prvu

H.263 Obligatoire Obligatoire Optionnel Optionnel Optionnel

Figure 1.19 Synthse des caractristiques CIF et QCIF.

Les informations vidos reprsentent un volume de donnes important transfrer. Ainsi hors la

dnition des formats dimage que nous venons dtudier, les diffrents systmes mettent en uvre

des techniques de compression.

1.3 LA COMPRESSION DE DONNES

1.3.1 Gnralits

Si on nglige le temps de propagation du message sur le support, le temps de transmission ou temps

de transfert dun message a pour expression :

T

t

= Longueur du message en bits / dbit de la liaison

Pour un mme contenu smantique, ce temps sera dautant plus faible que la longueur du mes-

sage sera petite ou que le dbit sera lev. Laugmentation du dbit se heurte des problmes

technologiques et de cots. Il peut donc tre intressant de rduire la longueur du message sans en

altrer le contenu (la smantique) : cest la compression de donnes.

Les techniques de compression se rpartissent en deux familles : les algorithmes rversibles ou

sans perte, dits aussi sans bruit, et les algorithmes irrversibles, dits avec perte. Les premiers resti-

tuent lidentique les donnes originelles. Ils sappliquent aux donnes informatiques. Le taux de

compression obtenu est voisin de 2. Les seconds, dits aussi codes rduction de bande, autorisent

des taux de compression pouvant atteindre plusieurs centaines au dtriment de la dlit de restitu-

tion. Utiliss pour la voix, limage et la vido, ils sapparentent plus des procds de codage qu

des techniques de compression.

1.3.2 La quantication de la compression

La compression se quantie selon trois grandeurs

10

: le quotient de compression, le taux de com-

pression et le gain de compression.

10. En toute rigueur, les grandeurs dnies ci-aprs ne sont valables que pour les algorithmes de compression sans perte.

En effet, pour les algorithmes avec perte, il y a rduction dinformation et non compression. Cependant, lusage tend

ces quantications aux deux types de compression.DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

22 1


Le quotient de compression (Q) exprime le rapport entre la taille des donnes non compresses

la taille des donnes compresses.

Q =

Taille avant compression

Taille aprs compression

Le taux de compression (T) est linverse du quotient de compression.

T = 1/Q

Enn, le gain de compression, exprime en % la rduction de la taille des donnes.

G = (1 T) 100

1.3.3 La compression sans perte

Compression dun ensemble ni de symboles quiprobables

Quand le nombre de symboles appartient un ensemble ni, par exemple un catalogue de produits,

on peut substituer au symbole un code (rfrence du produit, code derreur...). Cette technique qui

appartient lorganisation des donnes ne sera pas tudie ici.

Compression de symboles non quiprobables

De nombreuses techniques permettent de rduire la taille de donnes quelconques. Les trois prin-

cipales sont :

Le codage en longueur de plage comme le Run Length Encoding (RLE) qui consiste

remplacer une suite de caractres identiques par le nombre doccurrences de ce caractre.

On obtient des squences du type : chappement/nombre/caractre, par exemple la squence

@10A peut signier, 10 A conscutifs. Ce codage, peu efcace, pour le texte est utilis pour

compresser les images et les chiers binaires, notamment par MacPaint (Apple). Ce codage

nest efcace que lorsquune squence de caractres comporte plus de deux caractres cons-

cutifs diffrents. Aussi, si le nombre de caractres similaires conscutifs est infrieur trois,

la suite de caractres diffrents est identie (caractre de contrle) et ne fait lobjet daucune

compression.

Le codage par substitution remplace une squence de caractres prdnie par un code. Le

dictionnaire ncessaire au codage et au dcodage est construit dynamiquement. Non transmis,

il est reconstitu en rception. Connu sous le nom de Lempel-Ziv-Welch (LZW), il est utilis

dans les utilitaires de compression PKZIP, ARJ et dans les modems (V.42bis).

Le codage dentropie ou codage statistique attribue un mot code dautant plus petit que la

probabilit dapparition du symbole coder dans le chier est grande (exemple : le codage

dHuffman). Ncessitant une lecture pralable du chier et lenvoi du dictionnaire de codage,

le code de Huffman est peu efcace. Utilis en tlcopie G3, le code de Huffman modi

(HM) associe, partir dun dictionnaire prconstitu, un mot binaire une squence de points.

1.3.4 Les codages rduction de bande

Le codage rduction de bande concerne le codage de la voix et de limage. Il met prot les imper-

fections des organes dinterprtation humains pour rduire la quantit dinformation transmise tout


en garantissant une reproduction correcte pour lutilisateur nal. Plus la rduction de bande sera

leve, plus la restitution sera dgrade. Lobjectif des procds de codage consiste donc en un

compromis entre la rduction de bande passante ncessaire la transmission et la qualit de resti-

tution. La rduction de bande envisageable ne dpend pas de la source, mais des imperfections du

systme dinterprtation. Lhomme tant plus sensible aux altrations du son qu celles de limage,

les mthodes de codication de limage autoriseront des rductions de bande plus importantes que

celles adoptes pour le son.

Le codage de la voix

Les procds de codage et de compression de la voix dclinent trois techniques :

Le codageMIC (Modulation par Impulsion et Codage ou PCM, Pulse Code Modulation) qui

utilise une quantication logarithmique.

Les codages diffrentiels, codant non plus lchantillon mais son cart par rapport lchan-

tillon prcdent comme lADPCM

11

(Adaptative Differential Pulse Code Modulation).

Des techniques plus labores reconstituent la voix par synthse (CELP, Code Excited Linear

Prediction).

Le codage MIC ou PCM

La numrisation de la voix selon le procd MIC (Modulation par impulsion et codage ou PCM,

Pulse Code Modulation) est adopte dans tous les rseaux tlphoniques. Cependant, une repro-

duction correcte de la voix (dynamique et rapport signal sur bruit) ncessite au minimum une

quantication sur 12 bits (voir dans le 1.2.3, Application la voix). Cette quantication dite

linaire introduit un rapport signal sur bruit dautant plus dfavorable que la valeur du signal est

faible (gure 1.20). Maintenir un rapport signal sur bruit acceptable quels que soient le niveau de

quantication et la ncessit de rduire la bande ont conduit adopter des lois de quantication

non linaires. Ces lois attribuent pour une mme variation damplitude du signal un nombre de

niveaux de quantication plus important aux faibles valeurs du signal quaux fortes (quantication

logarithmique).

7

6

5

4

3

2

1

Valeur

Valeur exacte : 1,45

Valeur quantifie : 1

Erreur : 0,45

S/N : 2,2

Valeur exacte : 6,45

Valeur quantifie : 6

Erreur : 0,45

S/N : 13,3

Mme erreur

Figure 1.20 Amplitude du signal de voix et rapport signal sur bruit.

11. LADPCM64 autorise une bande de 7 kHz pour un dbit de 64 kbit/s ; il peut tre mis en uvre dans la tlphonie

numrique sur RNIS (Rseau numrique intgration de service).DunodLaphotocopienonautoriseestundlit

24 1


Deux lois de quantication non linaires sont utilises :

La loi utilise en Amrique du Nord, Japon et Australie quantie les chantillons sur un

espace linaire de 14 bits, rduit 8 bits.

La loi A mise en uvre dans le reste du monde correspond une quantication linaire sur

12 bits et une rduction 8 bits.

Ces lois autorisent un codage sur 8 bits avec un rapport signal sur bruit de 33 dB. La gure 1.21

reprsente la partie positive de la loi A. Celle-ci divise lespace de quantication en huit intervalles.

Chaque intervalle de quantication (sauf les deux premiers) est le double du prcdent. lint-

rieur de chaque intervalle, on opre une quantication linaire sur 16 niveaux. Un chantillon est

reprsent par 8 bits (gure 1.21) :

le premier indique la polarit du signal (P) ;

les trois suivants identient le segment de quantication (S) ;

enn, les quatre derniers reprsentent la valeur d

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