Introduction Aux Transmissions de Données

Introduction aux transmissions de donnes

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Table des matires

1. Introduction: du tlgraphe au P2P

2. Concepts et terminologie 3. Caractristiques du signal

4. Dfauts de transmission 5. Capacit dun canal

6. Notions de thorie de linformation

7. Les codages de la source

8. Multimdia, codage des images et des sons

9. Un problme spcifique : la vido numrique

10. Le codage du signal

11. Les codes correcteurs

12. Etudes de cas pratiques

Annexes

1 ETHERNET

2 LE BUS CAN

3 ADSL


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1.Introduction: du tlgraphe au P2P

Communication : dplacement d'un message (ensemble de signes) entre deux points caractristiques de l'espace. Elle comprend trois moments spcifiques : l'mission, la transmission, la rception. Les signes utiliss peuvent tre de natures trs varies.

Le grand problme des hommes, c'est la coopration. L'une des cls de la coopration est le partage d'informations. Les tlcommunications qui sont lun des outils fondamentaux pour partager les informations, sont destines jouer un rle majeur dans tous les progrs venir de l'humanit. Le tlgraphe Depuis le dbut des annes 1800, il existe des systmes de tlgraphe lectrique peu pratiques et surtout anti-conomiques puisquils ncessitaient plusieurs fils. En 1837, l'Amricain Samuel Morse invente un tlgraphe lectrique simple : des piles, un interrupteur, un lectro-aimant et des fils suffisent. Il conoit galement un code trs simple bas sur des combinaisons de signaux courts et longs. Le grand mrite de Morse est davoir invent une sorte de transmission srie ne ncessitant quun seul fil avec retour par la terre, marquant ainsi les vrais dbuts de la communication lectrique commerciale. Ds 1844, de nombreuses compagnies se crent pour construire des rseaux tlgraphiques et ds 1858, on dpose un premier cble tlgraphique trans-ocanique.Comme sur de telles longueurs la dformation des signaux est trs grande, lingnieur Heaviside invente, une manire de calculer la dformation des signaux aprs une transmission sur fils. Le tlphone, Bell La transmission numrique (le tlgraphe) existait donc bien avant la transmission analogique. Alors que l'on savait transmettre des signaux tlgraphiques travers les ocans, on ne savait toujours pas transmettre la voix de lautre ct de la rue. Alexandre Graham Bell dpose son brevet le 14 fvrier 1876. La voix fait vibrer une plaquette en bois solidaire de crayons en graphite. Les vibrations de ces derniers tablissent un contact lectrique imparfait et, donc une rsistance variable. Des batteries envoient dans la ligne un courant lectrique rendu variable (on dit "modul") en traversant cette rsistance. Le signal acoustique est ainsi transform en un signal lectrique analogique.


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Dans le rcepteur, le courant lectrique venant de la ligne tlphonique est envoy dans un lectroaimant qui agit sur une plaque souple dont les vibrations reconstituent la voix. Cest Vail qui saura transformer la petite compagnie Bell Telephone en une immense socit, la plus grande du monde. Il sera le vritable inventeur de l'organisation de la tlphonie en tant que service public et de lorganisation gnrale des services publics en monopoles, publics ou privs, mais contrls par une autorit. Ce type d'organisation, durera jusqu'en 1984. Les rseaux L'invention de Bell ne permettait que des liaisons spcialises point point. Pour donner un abonn l'accs de nombreux correspondants, il faut des commutateurs. En 1878, le premier central tlphonique (manuel) est ralis, reliant 21 abonns. Aprs cela c'est l'explosion ! Des centraux manuels s'installent partout. En 1891, Almond B. Strowger, invente un systme de commutation automatique qui sera gnralis dans de nombreux pays : le systme Strowger ou Systme Pas Pas . La France, et les tats-Unis, prfreront une autre philosophie de commutation qui ne sera dveloppe que vingt ans plus tard : le contrle commun. Le problme de la porte La grande difficult du tlphone a t sa porte. Rappelons que la transmission tlgraphique se faisait sur un seul fil avec retour du courant par la terre. En reproduisant, pour le signal analogique, ce qui avait t fait pour les signaux numriques du tlgraphe, on ne pouvait pas dpasser quelques kilomtres de porte, alors que le tlgraphe pouvait porter des dizaines de kilomtres. Au-del de cette distance, le signal tlphonique tait en effet couvert par une friture pouvantable. On doit Carty, la dcouverte du principe de la transmission en mode diffrentiel sur deux fils. Avec la transmission diffrentielle, des portes de quelques centaines de kilomtres devenaient ralisables, surtout depuis qu'en 1900 le mathmaticien Puppin ayant compris quen insrant tous les 1,8 km des bobines en srie dans la ligne, on pouvait diminuer l'affaiblissement d la capacit parasite rpartie. Mais bien sr, il n'tait toujours pas possible dtablir des communications tlphoniques transcontinentales. L'lectronique Il fallait, pour les liaisons tlphoniques transcontinentales, inventer l'amplification lectronique. Les premiers pas dans cette direction sont faits par Edison avec la dcouverte de la thermo-mission conduisant aux diodes tubes. Mais c'est Lee de Forest qui dcouvre en 1906 le contrle de la thermo-mission dans la triode. Toutefois, les ingnieurs n'arrivent pas matriser le dispositif. Arnold, ainsi que Langmuir, comprennent qu'il faut faire le vide dans la triode. Les progrs sont alors trs rapides, la socit Bell dveloppe des rpteurs. La premire liaison tlphonique transcontinentale est ralise en 1915.


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Le dfi suivant sera la tlphonie transocanique. Mais, alors que le premier cble transocanique tlgraphique est pos en 1858, ce n'est quun peu moins de 100 ans plus tard, en 1956, que lon russit poser le premier cble tlphonique transocanique. En attendant que ce problme extrmement difficile de tlphonie transocanique par cble soit rsolu, on fait appel la radio pour la communication intercontinentale. De la radio la tlvision Prdites par Maxwell en 1864 les ondes lectromagntiques sont mises en vidence par les expriences de Heinrich Hertz en 1887. Ds 1896, Marconi, invente les antennes et, la mme anne, le Russe Popov transmet le premier message radio. La communication tlgraphique par radio se dveloppe avec des alternateurs lectromcaniques produisant du 50 KHz (6 km de longueur d'onde !) et les premires communications transatlantiques par radio en Morse sont ralises en 1901 par Marconi. Ce type de transmission sert beaucoup pour les communications avec les navires. En 1906, un professeur de Harvard a l'ide de mettre un microphone en srie entre l'alternateur et l'antenne et se met transmettre de la voix et de la musique. Mais c'est aprs l'invention de l'lectronique dans les mmes annes que la radiodiffusion, on disait alors la TSF (Tlphonie Sans Fil), se dveloppe avec un succs extraordinaire auprs du public. La premire guerre mondiale eut pour effet un formidable dveloppement de la radio. Toutefois les rcepteurs utiliss taient amplification directe. Armstrong en 1917, invente le superhtrodyne. Cette invention gniale marque l'essor de la radio vraiment pratique ! Les livres disent que c'est parce que la slectivit est faite sur une frquence fixe, avec la possibilit d'obtenir conomiquement des coefficients Q trs levs. Un autre avantage, est tout aussi dterminant : l'amplification est faite une autre frquence que celle de l'tage d'entre, on peut ainsi avoir une forte amplification et donc une grande sensibilit, sans re-bouclage parasite et, par consquent, sans oscillation ! Les annes 30 consacrent le perfectionnement de la communication analogique avec les inventions du contrle de gain et de la contre-raction. Armstrong, encore lui, apporte un progrs dcisif en mettant au point la FM (en bande large) et donc la radiodiffusion en haute fidlit avec trs peu de bruit. galement ces annes l, une socit de l'Arizona ralise une radio pour les autos. Cette socit prendra plus tard le nom de Motor-Ola ! On peut dire qu' la fin des annes 30 tous les progrs de la radio analogique sont acquis. Mis part le progrs apport par les transistors dans les annes 60, nous en sommes toujours l, en attente de la radio-diffusion numrique ! En revanche, dans les annes 40 c'est la tlvision et donc la transmission de l'image qui devient la procupation importante. Les ingnieurs des annes 20 n'arrivaient pas choisir entre des systmes de balayages mcaniques ou lectroniques. la fin des annes 30, ce dilemme tait rgl. Le dveloppement des radars avait dj permis de matriser l'lectronique trs haute frquence et aussi la


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technique des tubes cathodiques. La transmission de l'image pouvait alors dmarrer en mode diffus (broadcast). La communication numrique C'est en 1938, que l'anglais Alec Reeves, dpose le brevet de la modulation par impulsions codes MIC, qui devait liminer presque compltement le bruit. Malheureusement, cette poque, la technologie de l'lectronique lampes ne permettait pas de raliser conomiquement de tels procds de transmission. Dans les annes 50, le numrique apparat comme une consquence de la nouvelle industrie des ordinateurs. Une nouvelle lectronique voit le jour : on ne parle plus d'amplificateurs, de circuits intgrateurs ou de drivateurs mais on parle de flip-flops, de portes, d'algbre de Boole. Claude Shannon tablit la thorie de l'information et les ides thoriques sur la communication numrique sont dveloppes. Malgr tout, ces ides restent cantonnes des systmes trs coteux cause de la technologie lectronique lampes. C'est l'invention du transistor en 1947 par William Shokley, John Bardeen et Walter H. Brattain, trois physiciens des Bell Labs, prix Nobel en 1956, qui va changer la donne. Trs certainement l'une des premires applications est le clavier DTMF de nos tlphones ! Il faut cependant attendre l'apparition des circuits intgrs la fin des annes 60 pour que l'lectronique, jusque-l cantonne aux systmes de transmissions analogiques multiplexage frquentiel, puisse srieusement stendre la transmission numrique et la commutation. Les multiplex numriques sont dabord utiliss comme systmes de gain de paires pour la transmission entre les centraux analogiques. Puis on passe de la programmation cble la programmation enregistre en pilotant les commutateurs par des ordinateurs. Le dernier pas franchir est le remplacement des matrices de commutation analogiques par des matrices numriques. Les progrs invisibles Les annes 1980 sont des annes d'immenses progrs, dont le public et mme beaucoup de spcialistes ne ralisent pas vraiment l'ampleur. Dans les annes 1970, il tait pratiquement hors de question d'quiper chaque foyer d'un tlphone, chaque petite route aurait t borde d'immenses nappes de fils ! Les meilleurs modems fonctionnaient 9600 bits par seconde et encore sur liaisons spcialises de qualit suprieure trs coteuses. Les ingnieurs annonaient que compte tenu de la limite de Shannon, on ne pourrait jamais aller au-del de 15 Kbit/s sur une ligne tlphonique ! Une ou deux dcennies plus tard, tout cela a bien chang sans avoir l'impression qu'il y ait eu de dcouvertes scientifiques fondamentales. En fait trois progrs fondamentaux, intervenus cette poque, ont compltement boulevers la situation..


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Il est d'abord devenu possible de piloter des concentrateurs distance. C'est ce progrs technique, peu connu, dcoulant de la signalisation smaphore qui explique que l'on a pu raccorder tous les foyers. Le long des routes, les grandes potences en bois soutenant les nappes de lignes ont t remplaces par des petits poteaux en acier portant un cble noir contenant plusieurs MICs. Du fait des concentrateurs distants, les lignes sont devenues beaucoup plus courtes, permettant ainsi de raccorder tout le monde ! La limite de Shannon s'est trouve considrablement augmente, tout simplement parce que le rseau d'aujourd'hui a un bien meilleur rapport Signal/Bruit. Ce progrs est essentiellement d la gnralisation de la fibre optique. On ne trouve plus du cuivre aujourd'hui que sur les derniers kilomtres, tout le reste est en verre avec une qualit de transmission et une immunit au bruit extraordinaire. Un autre facteur favorable est l'augmentation de la vitesse des processeurs de traitement du signal. Le bruit n'est pas que du bruit blanc Gaussien alatoire, il y a beaucoup de diaphonie que l'on sait traiter. L'augmentation de la vitesse des microprocesseurs a des consquences fabuleuses. En 1985, l'accs de base du RNIS tait limit 144 Kbit/s utiles parce que l'horloge du microprocesseur qui faisait l'annulation d'cho n'tait que de 2 MHz. Aujourd'hui les microprocesseurs tournent au moins 100 fois plus vite et cest pourquoi nous pouvons faire l'ADSL 100 fois plus rapide ! Des rseaux mobiles et intelligents Les annes 1990 ne sont plus des annes de progrs invisibles, ce sont des annes de rupture, des annes de toutes les audaces. La numrisation du rseau n'tait pas encore digre, le RNIS n'avait pas encore dmarr, et les ingnieurs se lanaient dans l'aventure incroyable du raccordement des abonns en radio-numrique. On aurait pu croire que le mur de la complexit tait atteint tant du point de vue technique que financier. La technique de la radio est intrinsquement trs difficile, sy ajoutaient les problmes de signalisation, d'architecture de contrle, de dveloppements logiciels. De son ct, l'aspect financier semblait insurmontable puisqu'il fallait investir des milliards avant que l'on puisse esprer gagner le moindre centime. Pourtant le succs du GSM est l'un des meilleurs exemples de ce que l'homme peut faire en cooprant. D'abord la normalisation ralise a t remarquable. Le systme a t conu et de manire collective. Aujourd'hui les rseaux mobiles sont les seuls rseaux multi-constructeurs compltement inter-oprables et qui respectent scrupuleusement une norme unique. Ensuite le GSM est une vraie Killer Application en ce sens qu'il transforme la faon dont l'homme travaille. En mme temps se dveloppe un autre concept, celui du rseau intelligent. L'ide que le rseau ne pouvait fournir que les services qui taient programms dans les ordinateurs des centraux tlphoniques devenait intolrable. Il fallait trouver un moyen de rendre le rseau plus coopratif pour excuter des services que des socits tierces pourraient programmer dans des plates-formes extrieures. Ce but ultime n'est pas encore compltement atteint mais l'on s'en rapproche.


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La monte des rseaux informatiques A lorigine, linformatique tait centralise. Ctait le rgne des Main Frames et messieurs les informaticiens, taient leurs serviteurs, bnficiant dun statut privilgi Dans la vague de 1968, quelques dangereux rvolutionnaires,, imaginent linformatique distribue base sur le modle Client-serveur. En ralit ce modle reste en grande partie un modle centralis, lessentiel est dans le serveur, unique, et la cosmtique est dans le client. Petit petit les Main Frames sont remplacs par des minis, par dfinition moins puissants que les Main Frames, mais proprit de chaque entreprise qui peut ainsi garder le contrle de son destin. Mais la contrepartie, cest lobligation de cooprer. Il fallait donc relier ces mini-ordinateurs entre eux pour quils puissent partager les informations. Les oprateurs de tlcommunications, bien installs dans leur rle de service public et soucieux de satisfaire les besoins de leurs usagers , conoivent des rseaux publics de donnes pour relier tous ces mini-ordinateurs. Cest ainsi que naissent Transpac et plus gnralement la norme X25. Cependant le modle X25 ne correspond pas vraiment lattente des nouveaux adeptes de linformatique distribue. En effet, les oprateurs, en concevant X25, staient bass sur le mme modle de communication que celui dont ils avaient lhabitude en tlphonie. Dans ce modle, dit conversationnel, un circuit, ft-il virtuel, est connect pralablement au dialogue et doit tre explicitement dconnect la fin du dialogue. Dans le modle client-serveur, o la session de communication ne dure que le temps dune requte et de sa rponse, il ny a pas vraiment de dialogue. Le modle conversationnel ne convient donc absolument pas. Peu satisfaits de ce que leur offraient les oprateurs tlcom traditionnels, quelques professeurs amricains dcident de crer un autre type de rseau, adapt au modle requte rponse, donc sans connexions. Dans un tel rseau, il ny a pas de routage pralable. chaque paquet le commutateur doit refaire nouveau sa dcision de routage : pour cette raison ces commutateurs sans mmoire , sont appels routeurs. Ce nouveau rseau, qui relie dabord quelques universits amricaines, est lorigine de lInternet que nous connaissons aujourdhui. Le succs phnomnal de lInternet est, dans un sens, celui de larchitecture client-serveur, dabord mise en uvre par les mini-ordinateurs des entreprises, puis reprise pour les PC de tout le monde. Le succs de lInternet nest pas uniquement un succs technique. Cest aussi le succs dun nouveau modle conomique de la communication, certainement pas gratuite, mais faisant intervenir une concurrence entre fournisseurs daccs. La drgulation la fin des annes 1970, le modle dentreprise des tlcommunications, bas sur un service public monopolistique dans une zone gographique donne, arrive son terme. Dans ce modle conomique il y avait prquation tarifaire entre les services


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non rentables (le raccordement dun fermier isol, les tarifs rsidentiels trs bas) et les services rentables (tarifs entreprises). Le 1er janvier 1984, aprs un procs de 8 ans, un tribunal dcide la divestiture, cest--dire le dmembrement du Bell System, la plus grande socit mondiale. Dans un premier temps, de nouvelles socits, les baby Bells indpendantes les unes des autres, sont cres, sans toutefois remettre en cause la notion de monopole local. Mais le mouvement est lanc, le nouveau modle conomique dmontr par le succs de lInternet semble attractif. En 1996, une nouvelle dcision met fin aux monopoles des tlcommunications. Dsormais, de nouveaux modles sont trouver pour les services de tlcommunications, et les oprateurs sont libres de se concurrencer les uns les autres sur la tlphonie fixe comme sur la tlphonie mobile et les donnes. Vers la fin du rgne de larchitecture Client-Serveur, le P2P Linformatique distribue, base sur le modle client-serveur, nest plus rvolutionnaire. Elle ne bouleverse pas les ordres tablis. Il y a toujours un chef, le serveur. Ce modle persistera probablement longtemps, et sera peut-tre mme toujours indispensable pour certains types de problmes. On commence cependant entrevoir aujourdhui quune vraie rvolution serait une informatique sans chef : linformatique cooprative dgal gal (peer to peer). Les ordinateurs sont aujourdhui tous plus ou moins les mmes (except la carte graphique, lcran et la taille du disque dur) Dans ce nouveau monde, les processus seraient raliss par une coopration libre entre entits participantes gales, sans Ordonnanceur suprme. La difficult, cest que la science informatique ne connat pas encore de solution technique pour linformatique cooprative. Cest un vritable dfi pour linformatique et les tlcommunications du futur. Jusqu prsent, ce que lhomme sait bien faire, cest le matre-esclave . Cooprer, cest une autre histoire.


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2. Concepts et terminologie Tlcom - Datacom Par le pass, les transmissions de donnes ne reprsentaient quune petite partie des tlcommunications.Les 3 branches principales des tlcoms. taient : le tlphone, la radio et la tlvision. Les transmissions de donnes concernaient principalement linterconnection de machines comme des ordinateurs. Aujourdhui les rles sont inverss. Le formidable dveloppement des techniques digitales et lapparition dInternet permettent de raliser les services tlphonie, radio et tlvision et bien plus, par le biais de transmission de donnes. V.o.i.p. et Skype pour le tlphone, Shoutcast pour la radio, le foot par Belgacom Message, dfinitons En communication:

un message est est un ensemble de signes. Il implique un codage par l'metteur, ainsi qu'un dcodage par le rcepteur d'o la ncessit d'un code commun.

En thorie des rseaux :

ensemble cohrent de segments structurs dans lordre spcifi selon des normes approuves.

Ce qui est important,

cest laspect dynamique, un message est fait pour tre transmis. Des donnes dormant sur un disque dur ne sont pas des messages.

cest la prsence dun metteur et dun rcepteur, on ne parle pas tout seul, et idem pour Jeanne dArc

cest laspect cohrent, et comprhensible par lmetteur et le rcepteur


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Codage Tout message est cod. Quil soit crit, parl ou lectronique, il est ncessaire dutiliser des symboles pour reprsenter des concepts. 6, VI, 0000110, six , ne sont que des codages du vrai 6 Notre cerveau effectue en permanence le codage des concepts vers les sons (vibration de lair) lcriture (lettres) le dessin (symboles) ainsi que le dcodage correspondant. Pour garantir la condition 3 de la communication, il est impratif que ce codage, lassociation des concepts et des symboles, soit connu et accept par lmetteur et le rcepteur. Mme si la diversit des messages est infinie, en transmission de donnes on peut les regrouper dans 4 catgories.

Des nombres, ex : 1, 237, 0.01447, Pi( ?), 5.78 E 03, 4889981547442114 Des textes, ex : oui , le contenu du dernier HarryPotter, Des images Des sons

A chacune de ces catgories correspondent de nombreux codages. En voici quelques-uns :

Nombres: binaire pur, BCD, flottant

Texte: morse,ascii,unicode Mixte texte/image : pdf Images: Tiff, bmp, png, jpeg Video: mpeg, avi, divx Sons: Wav, aif, pcm, mp3

Tout ceux-ci utilisent un alphabet de 2 symboles, 0 et 1, le binaire. Il est bien sur possible dutiliser des alphabets de plusieurs symboles, en transmission HF on utilise rgulirement des alphabets de 4 ou 16 symboles. Dans le cas des codages comme jpeg, mpeg, divx, limportant est de raliser une compression des donnes, de manire rduire la quantit dinformations transmettre, donc daugmenter la vitesse. Ces codages admettent que le message dcod soit diffrent du message transmit. Ce nest pas important pour une image, mais cela est inadmissible pour un compte bancaire ou un programme. Ces codages sont rservs au multimdia. Dautres codages au contraire permettent de garantir le message mme en cas derreur dans la transmission, mais cela au prix dune augmentation de la quantit de donnes. On distinguera plus loin le codage de la source et le codage du signal.


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Signal et Media Le signal est une grandeur physique variable en fonction du temps et porteuse d'information. Dune manire gnrale, de nombreux phnomnes physiques peuvent tre utiliss pour transmettre un signal. Cest un phnomne mcanique qui est la base des sons. Les phnomnes lectromagntiques (dont loptique) ont des proprits trs intressantes pour la transmission car ils sont de loin beaucoup plus rapides que les phnomnes mcaniques. Une fois la grandeur choisie, la tension par exemple ou lintensit lumineuse, on fait varier celle-ci (-> information) et lon choisit un support qui va propager cette variation. Cest le mdia ou la couche physique dans le jargon rseau. (MAC PHY). Les mdias les plus utiliss sont : les fils de cuivre (grandeurs : I ou U), le champ lectromagntique (B), les fibres optiques (intensit lumineuse). On comprendra intuitivement que le choix du mdia est trs important par rapport aux performances dun systme de transmission pour ce qui est de la porte et du dbit. Analogique-Digital Selon que les variations appliques au signal seront continues (dans le temps) ou ralises par sauts instantans entre un petit nombre de valeur, on dira que la transmission est analogique (continue) ou digitale (discrte) t t

Signal analogique (dans IR) Signal digital (dans IN) Mesurer Compter Chaque mthode ses avantages et inconvnients, pour le signal digital, le fait que les paliers doivent avoir une dure finie impose une limite sur la vitesse, mais cette mthode est particulirement insensible au parasites ajouts au signal. Le signal analogique peut varier infiniment rapidement entre une infinit de valeurs, Il est plus riche en informations pendant une mme dure de temps que le signal digital. Par contre, il est extrmement sensible toute perturbation, ce qui est un point trs ngatif pour les transmissions sur de longues distances.


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Remarque, ce qui varie par saut dans un signal digital, cest la grandeur observe. Une sinusode dont on fait varier la frquence (par saut) entre 2 valeurs, est un signal digital. (FSK) 1 0 1

Frq 1 Frq 2 Frq 1 Emetteur / Rcepteur Nous lavons dit, pour communiquer, il faut un metteur et un rcepteur. Si un seul metteur communique avec un seul rcepteur on parle de communication one to one . Cest le cas du tlphone, dune paire de walkie-talkie, ou encore dune liaison point--point par modem entre 2 ordinateurs (ex Windows RAS) Si un metteur communique le mme message plusieurs rcepteurs, on parle alors de one to many ou de broadcast. La tlvision et la radio en sont le plus bel exemple. Dans cette configuration, il y a une forte asymtrie entre la configuration de lmetteur (1 seul, cher et complexe) et du rcepteur (des millions, petit, simple,conomique ) Enfin, la configuration la plus complexe, celle des rseaux de communications actuels, est la configuration many to many o tout le monde communique avec tout le monde, Internet, la tl et vido confrence en sont des exemples. On distinguera aussi,

une communication simplex, toujours dans le mme sens. une communication half-duplex, metteur et rcepteur changent leurs rles, le rcepteur rpond (il devient lmetteur) et ainsi de suite. (ROGER). une communication full-duplex, chaque extrmit, on un metteur et un rcepteur, capables tous deux dmettre et de recevoir simultanment.


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Canal Il ne faut pas confondre le canal avec le mdia. Si le mdia a une ralit bien physique, le canal est un concept logique, il reprsente le lien tabli entre metteur et rcepteur. Un canal est gnralement compos de plusieurs mdias successifs. Une communication tlphopnique par internet entre la Belgique et les USA va utiliser un grand nombre de circuits et de techniques diffrentes depuis le micro de l metteur jusquaux haut-parleur du rcepteur. USB - BUS CARTE MERE - RESEAU LOCAL MODEM ADSL ATM SATELLITE ATM - CABLE NETWORK USB - CARTE SON Inversement, un seul mdia peut supporter plusieurs canaux, cest le multiplexage. Un seul cble de tldistribution propose plus de 30 canaux TV. Protocoles Le protocole est lensemble des messages et des rgles qui sont ncessaires ltablissement, au maintient et la terminaison dune communication. Il sagit de messages qui ne font pas partie du message principal transmettre mais sont indispensables au fonctionnement du canal. Pour le tlphone, le protocole consiste dire all quand on dcroche. Pour la poste, il faut indiquer ladresse sur lenveloppe. En transmission de donnes il existe des dizaines de protocoles spcifiques chaque application. Certains sont trs simples (I2C) dautres trs complexes. Internet a connu un succs rapide et international car il est bas sur un ensemble de protocoles, relativement simples, publics et trs bien documents. Il sagit du Stack TCP/IP . Service Le but de tout systme de transmission de donnes est de fournir un service ses utilisateurs. Lensemble du problme doit tre tudi sous ce point de vue, chaque besoin tant diffrent. Si hier les salles de rdaction des maisons de presses disposaient de tlex qui leur fournissait en direct linfo des 4 coins de la plante, cest aujourdhui des photos qui doivent tre transmises. Le deep space network est le rseau de communication utilis par les missions spatiales pour rapatrier les donnes collectes par les sondes en orbite autour de mars ou jupiter. Il est fort probable que son infrastructure sera trs diffrente de celle de Mobistar ! De plus en plus, on value un systme de transmission par la mesure de la qualit du service (Qos). Ceci reprend bien plus que le rapport signal bruit de la ligne. Des paramtres comme le taux dindisponibilit du service sont prendre en compte.


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Scurit La scurit est essentielle en transmission de donnes. Dans les domaines relis aux finances, ces aspects sont pris en considrations de manire srieuse depuis trs longtemps. Par contre dans de nombreux domaines les aspects lis la scurit ne sont mme pas pris en compte. Les besoins en scurit doivent tre valus en fonction des risques encourus. Deux aspects sont considrer.

Il faut tre certain que les donnes sont arrives, et quelles sont parfaitement identiques celles transmises.

Si lon avait que des connexions one-to-one fixes, on pourrait sarrter l. Mais avec lmergence des communications many-to-many et la possibilit de sniffer les donnes transmises sur un rseau partag,un second point est de plus en plus important.

Il faut tre sr que les donnes sont arrives au bon destinataire et aucun autre.

Pour cela il y 2 approches,

lauthentification : login, mot de passe, PIN etc.. mais ces informations peuvent tre drobes, on a alors recours aux identifications biomtriques. Une autre approche consiste encripter les donnes, une cl tant ncessaire au dcriptage. Ce cryptage/dcyptage peut tre ralis directment par les circuits de transmission, par exemple pour le WiFi.


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3. Caractristiques du signal

Le signal peut tre dcrit dans le domaine temporel ou dans le domaine frquentiel

Caractristiques du domaine temporel

- Continu - Discret - Priodique - Apriodique

Signal priodique F(t + T) = F(t) pour tout t,

T est la priode (en secondes) son inverse f=1/T est la frquence ( en Hz) Signal sinusodal F(t)= A.Sin (w.t+p) w = 2.pi.f A est lamplitude,

w la pulsation (frquence exprime en rad/sec.) p la phase en t=0

2 sinusoides dphase de 90

Domaine Frquentiel

Tout signal priodique peu tre dcompos en une somme de sinusodes par dveloppement en srie de Fourrier

Les sinusodes sont des frquences qui sont multiples entiers (harmoniques) de la frquence fondamentale cest dire celle du signal transformer.

Si le signal nest pas alternatif, il existe une composante continue (DC)


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Exemple Une sinusode damplitude 1 la frquence f est ajoute a une sinusode damplitude 0,4 la frquence 3f Gnralisation aux signaux non priodique. On peut gnraliser cette approche aux signaux non priodiques en passant la limite pour T infini. Cest la transforme de Fourrier. Au lieu dune suite de frquences, on obtient, dans le domaine frquentiel, un Spectre continu Le thorme peut tre gnralis aux fonctions non pridiques, cest la transforme de Fourrier.

Exemple : transforme de Fourrier dune impulsion


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Puissance du signal

Amplification et attnuation sont exprimes en dcibel

On utilise les dcibels car

lattnuation est gnralement logarithmique les attnuations en cascade peuvent tre calcules par de simples additions.

Bande passante dun signal

Elle reprsente la zone du spectre de frquence de ce signal dans laquelle lintensit est suprieure une certaine valeur.

frquence

Elle sexprime en Hz par la diffrence entre la frquence suprieure et la frquence infrieure (ou 0).


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4. Dfauts de transmission

Except sur de courtes distances et de faibles vitesses, le signal reu est diffrent du signal transmit En analogique = dgradation de la qualit En digital = bit errors

Les causes sont nombreuses :

Attnuation

Elle dpend de la frquence Si le signal transmis est trop important il peut saturer lmetteur et crer de la distorsion

Distorsion de phase

Le dlai de propagation dpend de la frquence. Particulirement nfaste dans les transmissions digitales, les bits sont dplacs hors de leur cellule temporelle -> jitter.

Bruit

Signaux ajouts entre lmetteur et le rcepteur

exemple de signal bruit

Thermique (bruit blanc / white noise)

D lagitation thermique des lectrons Distribution uniforme (BP infinie) Proportionnel la temprature absolue

No = k T Densit de puissance W/Hz : k = constante de Boltzmann

Impulsionnel

Irrgulier, courts, puissant ex. Interfrences lectromagntiques, moteurs, foudre


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Inter-modulation

Signaux qui sont des sommes et des diffrences des frquences originales, ils sont dus aux non-linarits du systme de transmission.

Crosstalk

Si de nombreuses lignes sont groupes, les signaux peuvent tre induits dune ligne lautre. Ce phnomne est fortement attnu par un blindage (cage de Faraday) mais galement en tressant les fils par paires.

Exemples de dformations que peut subir une imupulsion


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5. Capacit dun canal Bande passante dun canal ( BP du signal) On applique un canal un signal sinusodal damplitude constante dont on fait varier la frquence de 0 Hz linfini. En relevant lamplitude et la phase du signal la sortie du canal, on ralise un diagramme de Bode qui reprsente, dans le domaine frquentiel, la fonction de transfert du canal.

On dfinit la bande passante par la zone de frquence dans laquelle lattnuation ne dpasse pas une valeur donne (ex +/-3dB).

Dans le cas de lignes lectriques, on peut utiliser ltude des quadriples pour la dterminer par calcul.

Pour transmettre de manire acceptable la voix, un canal doit avoir une bande passante de 300Hz 4.000Hz, pour la musique de 20 20000Hz et pour la vido de 25 4.000.000Hz

Pour les transmissions par ondes lectromagntiques on peut considrer que la BP du mdia est infinie, mais les antennes, les amplificateurs ont une BP limite.

Le dbit

Th. De Nyquist (canal parfait)

Ce thorme nous indique le dbit maximum, en bauds, que peut supporter un canal de BP donne.

C = 2W log 2 M

C est la capacit en bits/s, W est la bande passante, M est la valence des symboles (nombre dtats que peut prendre chaque symbole).


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Pour une bande passante donne, la formule nous indique quil est possible daugmenter le nombre de bits/s en augmentant M. Mais pas sans limite, car le rcepteur risque de ne plus distinguer les diffrents tats en prsence de bruit

Exemple du cble tlphone signal binaire 2 niveaux:

BP = 3100 Hz

Capacit = 2 x 3100 x log 2 2 = 6200 bps

Th. De Shannon (canal bruit)

C = 2W log 2 (1 + S/N)

W est la bande passante, S/N est le rapport de la puissance du signal sur celle du bruit (blanc), mesure au rcepteur.

Ce thorme prend en compte le bruit (blanc uniquement) dans le canal, Il donne un maximum thorique mais pas toujours atteignable.

W, S, et N ne sont pas indpendants, N augmente avec la BP W, et le bruit dinter modulation augmente avec S.

Exemple du cble tlphone:

BP = 3100 Hz S/N = 30 dB

10 log 10 S/N = 30 S/N = 1000

Capacit = 3100 log 2 (1 + 1000) = 30,894 bps


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6. Notions de thorie de linformation

L'tude scientifique de l'information a pris toute sa dimension avec l'laboration de la thorie mathmatique de l'information, publie en 1949 par Shannon et Weaver. Le dveloppement des transmissions imposait d'optimiser l'utilisation des canaux de transmission, et donc d'liminer des donnes transmettre tout ce qui n'tait pas indispensable.

Ainsi, la thorie de l'information attribue chaque symbole d'un message une mesure de sa quantit d'information, d'autant plus leve que ce symbole est rare, c'est--dire non dductible des lments prcdents.

Si P(x i) est la probabilit dapparition du symbole x i, alors la quantit dinformation associe au message x i est par dfinition:

Pour du binaire, b=2.

Les systmes organiss comme les langues naturelles offrent des caractristiques de redondance bien prcises. La frquence d'utilisation de chaque lettre de l'alphabet, par exemple, constitue une premire valuation de sa probabilit d'apparition ; les caractres qui prcdent permettent galement d'amliorer la prdiction (une voyelle, par exemple, est gnralement suivie d'une consonne, et ce dans une proportion parfaitement mesurable).

Shannon dfinit galement l'entropie d'un message, d'une manire comparable la notion utilise en thermodynamique. Dans cette discipline, il s'agit d'une grandeur physique qui permet d'valuer la dgradation de l'nergie d'un systme ; on dit souvent que l'entropie mesure le degr de dsordre d'un systme. Dans la thorie de l'information, l'entropie d'un message indique le poids d'information qu'il porte, et donc sa compressibilit thorique.

D'un strict point de vue quantitatif, on ne peut que constater que la plupart des langues comprennent beaucoup moins de mots que les possibilits offertes par l'alphabet, et il en est de mme de donnes organises devant traduire des images et des sons.

Ainsi, les codages traditionnels, qui reprsentent ou cherchent reprsenter toutes les combinaisons thoriques, se rvlent extrmement simplistes et peu performants. Le codage ASCII sur 7 bits, par exemple, fournit plus de 4 000 milliards de possibilits pour coder les mots de 8 lettres, alors que les dictionnaires de la langue franaise en comptent moins de 3 000 ! Il suffirait donc de 12 bits pour reprsenter un mot de 8 lettres au lieu de 56 en ASCII.

En tenant compte des caractristiques d'entropie des donnes traiter, il est donc possible de dfinir des codages plus performants. Les travaux de Shannon et de ses


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collaborateurs ont conduit dvelopper des codages statistiques fonds sur la frquence d'apparition d'une information.

Pour une source produisant des messages composs partir de m symboles x i de probabilits P(xi) connues, on dfinit la quantit moyenne dinformation ou ENTROPIE de la source comme ceci :

On peut montrer que pour une source dont tous les symboles ont la mme probabilit, 0


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7. Les codages de la source

Les codages utilisant cette approche sappellent des codages entropiques.

Ces codages peuvent tre aussi utiles pour le stockage des donnes que pour leur transmission. Cependant la transmission implique que la mthode de codage et de dcodage soit assez rapide pour tre utilise en temps rel.

De nombreuses variantes ont vu le jour depuis ce thorme, la dernire volution est rcente, il sagit des turbo codes utilis dans la norme WiFi.

On aura compris que par laspect statistique, le meilleur codage dpend des donnes, un code efficace pour les textes ne sera pas ncessairement aussi efficace pour des images.

Le thorme de lentropie nous indique aussi quil est inutile de se faire succder plusieurs encodage, il y a un maximum et au-del, cela ne sert plus rien. (Inutile de faire un rar partir dun zip dun fichier jpeg ! Essayez)

On peut distinguer

Les codes de longueur fixe (ex 1 et 2) Les codes de longueur variable (ex 3-4-5 et 6) Les codes distincts ( tous sauf 1) Les codes sparables (ex 2-4 et 6)

aucun code ne peut tre form en en combinant 2 autres

Les codages statistiques longueur variable

Les codages dits longueur variable (VLC variable length coding) utilisent les frquences d'apparition des lments du message pour attribuer aux plus frquents des codes courts, et aux plus rares des codes longs. Les frquences d'apparition peuvent, dans certains cas, tre connues l'avance (communications structures vocabulaire limit), mais elles doivent gnralement faire l'objet d'une analyse au cours du traitement.


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Dans de nombreux cas, il est ncessaire d'tablir une table correspondant au message compresser, et donc d'effectuer un traitement en deux passes (analyse, puis compression proprement dite). Outre la ncessit de relire deux fois les donnes, cette mthode ne permet pas la compression en temps rel. Pour viter cette difficult, on value quelquefois les redondances sur une partie du fichier, qui joue alors le rle d'chantillon reprsentatif. Les quipements modernes de communication (fax, modems) utilisent plutt une analyse en temps rel sur des paquets de donnes de taille rduite.

Le code Shannon-Fano a t le premier algorithme statistique connatre un succs important. Il a cependant rapidement t concurrenc par la mthode de Huffman, plus adapte aux modes de traitement informatique.

La mthode de Huffman

partir d'une tude statistique portant sur la frquence des lments signifiants prsents dans les donnes originales, l'algorithme de Huffman attribue chacun de ces lments un code binaire dont la taille est d'autant plus rduite que le code est frquent. Sauf dans le cas de textes aux caractristiques rdactionnelles prcises, dans une langue donne (la frquence des diffrentes lettres peut alors tre estime a priori), l'application de cette mthode suppose une premire lecture des donnes, pralable au codage proprement dit, ayant pour buts une analyse statistique et la constitution d'une table de codage. La table de correspondance du codage ainsi tablie devra tre transmise pour le dcodage (un exemple de traitement Huffman est propos en annexe).

Les performances de cet algorithme dpendent des caractristiques des donnes compacter, mais il est possible de connatre le taux de compressibilit sans avoir effectuer le compactage, uniquement partir de l'analyse statistique et du calcul de lentropie. Le gain de compression moyen est de 31 %, et les oprations de compactage et dcompactage se rvlent trs lentes.

Le codage de Huffman est utilis, gnralement associ un ou plusieurs autres procds, dans diverses situations de compression. On peut citer notamment les divers formats utiliss en tlcopie et en transmission de donnes sur ligne tlphonique (protocoles MNP), ainsi que le Photo CD de Kodak pour les hautes dfinitions, ou encore les procds MPEG.

Exemple

La figure reprsente les tapes de la construction d'un code de Huffman pour l'alphabet source {A, B, C, D, E, F}, avec les probabilits

P(A) = 0.10 P(B) = 0.10 P(C) = 0.25 P(D) = 0.15 P(E) = 0.35 P(F) = 0.05


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Le code d'une lettre est alors dtermin en suivant le chemin depuis la racine de l'arbre jusqu' la feuille associe cette lettre en concatnant successivement un 0 ou un 1 selon que la branche suivie est gauche ou droite. Ainsi, A=0111, B=010, C=10, D=00, E=11 et F=0110.


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Pour pouvoir dcoder un message, il faut disposer de la table de codage qui doit gnralement tre transmise avec les donnes codes. En outre, lors de la relecture, il faut tre capable de dcomposer la suite de bits en caractres, ce qui ne va pas de soi, le codage de Huffman utilisant des mots de longueur variable et aucun sparateur. L'arbre de Huffman produit des codes sparables, ce qui signifie qu'il n'y a qu'une seule manire de relire la chane code.

Frquences d'apparition des lettres en franais

Exercice Prendre les 12 lettres les plus frquentes de lalphabet, crire une phrase complte et sense avec ces 12 lettres. Construire larbre de Hufmann et coder la phrase. Comparer la longueur du code obtenu avec un codage ASCII

Les codages par dictionnaires

Les codages par dictionnaires sont galement fonds sur l'analyse des rptitions dans les donnes traiter. Cependant, il ne s'agit plus ici de rechercher des occurrences doctets, mais de mots (groupes d'octets) de longueur variable. Les mots rpts prennent place dans un dictionnaire, et chacun d'eux est remplac, dans les donnes compresses, par sa seule adresse dans le dictionnaire.

Cette mthode a cependant pour inconvnients de ncessiter deux lectures du fichier traiter (la premire pour constituer le dictionnaire, et la deuxime pour coder effectivement les donnes) et d'imposer la transmission du dictionnaire.

Elle a engendr la mthode LZW de Lempel-Ziv (-> Zip etc)

A 8.40 % N 7.13 %

B 1.06 % O 5.26 %

C 3.03 % P 3.01 %

D 4.18 % Q 0.99 %

E 17.26 % R 6.55 %

F 1.12 % S 8.08 %

G 1.27 % T 7.07 %

H 0.92 % U 5.74 %

I 7.34 % V 1.32 %

J 0.31 % W 0.04 %

K 0.05 % X 0.45 %

L 6.01 % Y 0.30 %

M 2.96 % Z 0.12 %


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8. Multimdia, codage des images et des sons

Une image informatique peut tre assimile un tableau de pixels, organis en lignes et colonnes, dont chaque lment a une valeur. La dfinition de cette valeur est obtenue par une ou plusieurs donnes numriques (gnralement une pour les images monochromes, trois pour les images couleurs en reprsentation RVB ou YUV, ou bien par une adresse dans une table de couleurs prdfinies, la palette (Color Look Up Table, ou CLUT).

Cependant, on constate que la couleur d'un pixel est souvent trs proche, voire identique celle des pixels contigus. Cette caractristique est souvent dsigne par le terme de redondance spatiale.

Dans le cas de phnomnes variant en fonction du temps, comme le son ou la vido, une autre corrlation peut tre mise en vidence entre des mesures successives, et elle est d'autant plus importante que la frquence de mesure est leve. C'est la redondance temporelle.

La quantification de ces corrlations, tant au niveau spatial pour les images fixes que temporel pour les sons et les images animes, constitue la mesure de redondance des informations. Cette notion, directement issue des travaux de Shannon, doit tre prise au sens de la thorie de l'information, chaque information lmentaire se voit attribuer une quantit d'information, d'autant plus leve qu'elle est nouvelle , c'est--dire non dductible du contexte

En fait, l'ensemble des techniques de compression des images exploite la corrlation entre des pixels voisins pour produire une valeur probable du prochain pixel coder. Le produit de cette prdiction tant statistiquement proche de la valeur relle, il est alors possible d'effectuer le codage de manire plus conomique, en codant uniquement la diffrence avec la valeur prdite. Les ordres de grandeur des valeurs transmettre sont alors statistiquement plus faibles, ce qui permet d'utiliser un nombre plus faible de bits.

8.1. Codage par rptition : le Run Length Encoding

Il s'agit simplement de remplacer des lments successifs identiques par un seul d'entre eux, suivi du nombre de rptitions. Ce procd peut paratre simpliste et peu performant si on cherche l'appliquer, par exemple, un texte, les rptitions nombreuses de lettres n'apporteraient qu'une compression drisoire ! En revanche, si on l'applique une image, en particulier d'origine infographique, il est ais de s'apercevoir que les plages de couleur homognes ( le blanc du fond de cette page ) sont souvent importantes, surtout si le nombre de couleurs est faible, et l'image limite la colorisation de quelques centaines de pixels, sur un fond uniforme.

Particulirement simple mettre en uvre, c'est un procd qui a t largement utilis par les logiciels de dessin dans les annes passes, ventuellement associ un autre algorithme plus complexe. Dans certains cas, le RLE est utilis pour les images animes, sans aucune exploitation de la redondance temporelle.


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On le comprendra aisment, un tel codage ne peut apporter des performances considrables, mais il prsente l'avantage de la simplicit. Cette mthode convient mieux des dessins bit map, pour des photos ou des scans, les rsultats obtenus se rvlent plus dcevants, les pixels identiques tant moins frquents.

En pratique, on obtient des gains de compression de 30 50 % dans la plupart des cas pour les dessins, sensiblement moins pour les images naturelles.

Le format PCX de Z-soft, repris son compte par Microsoft avec les diffrentes implmentations de Paintbrush, sans doute un des plus rpandus des formats graphiques, utilise ce mode de compression. Aprs un en-tte de 127 octets contenant diverses informations sur le codage (taille de l'image, nombre de plans, nombre de bits par pixel, ainsi ventuellement que des informations de palette), on rencontre les donnes compresses selon ce principe. Dans le cas o l'image est code selon des plans de couleur (RVB par exemple), le codage se fait ligne par ligne, successivement dans les diffrents plans.

Le codage Run Length est galement largement utilis dans les diffrents modes de tlcopie dvelopps par le CCITT (tlcopie groupes 3 et 4 ), gnralement associ un codage statistique de Huffman.

Les extensions multimdias de Windows reconnaissent galement les fichiers RLE, qui sont une version compresse Run Length du format BMP. Ce format n'a gure connu de succs auprs des diteurs, qui prfrent en utiliser d'autres plus rpandus (PCX ou TIFF par exemple), ou directement le format BMP non compress.

8.2. Les compressions dgradantes

Les procds voqus plus haut ne produisent pas de dgradation, et relvent ce titre du compactage plus que de la compression. Ds que l'on accepte de perdre des informations, fussent-elles juges superflues, on entre dans le domaine de la compression dgradante. Se pose alors la question de la limite acceptable la perte d'informations. Plusieurs modes d'appauvrissement sont envisageables, qu'il faudra choisir en fonction des besoins. Le nombre de niveaux de couleurs peut tre rduit, ventuellement en utilisant une table d'indexation, selon des mthodes trs simples... ou trs complexes. Le rsultat peut se rvler trs convaincant, mais au prix de temps de calcul parfois trs longs

Rappelons que la numrisation du son est obtenue en dcoupant le signal en fines tranches de temps (chantillonnage, gnralement 11, 22 ou 44 kHz) puis en l'valuant par rapport une chelle numrique de rfrence (quantification). La numrisation d'une image fixe, quant elle, s'effectue au travers d'un chantillonnage en zones gographiques sur la surface de l'image, suivi d'une quantification par rapport une chelle de reprsentation du signal lumineux ; cette reprsentation peut se faire par rapport aux couleurs primaires RVB, comme c'est gnralement le cas en informatique, ou en sparant les informations de luminance et de chrominance, selon des techniques couramment pratiques en vido (YUV).


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Dans bien des cas, l'information obtenue aprs numrisation peut se rvler trop fine pour la chane de restitution envisage. Par exemple, les dispositifs de visualisation ne disposent pas tous des 24 bits gnralement utiliss pour coder les couleurs, et la qualit des haut-parleurs utiliss rend souvent tout fait superflue une dfinition d'enregistrement de type CD-Audio. Une analyse soigne de la pertinence des informations conserves, tenant compte de l'ensemble de la chane jusqu' la restitution finale, permet de rduire considrablement la quantit des donnes conserves, sans dgradation lors de la restitution.

D'autre part, nombre d'informations, si elles sont technologiquement restituables, sont peu ou pas perceptibles l'oreille ou l'il humain. La prise en compte de la sensibilit de nos organes perceptifs permet, l encore, de minimiser les flux d'informations. Cette mthode a t utilise trs tt en tlphonie, mais galement en vido : l'il tant plus sensible la luminance qu' la chrominance, les codages YUV codent beaucoup moins finement les couleurs que l'intensit lumineuse elle-mme (sous-chantillonnage de la chrominance).

8.3. Les mthodes prdictives

Dans le cas de sons numriss, on peut constater que les niveaux de deux chantillons successifs prsentent statistiquement une diffrence faible. On dira qu'il y a une forte corrlation entre le signal obtenu sur un chantillon donn et l'chantillon prcdent.De mme, dans le cas des images, il est ais de constater qu'il y a une forte corrlation spatiale entre un pixel et la zone qui l'entoure : dans la trs grande majorit des cas, les images, naturelles, prsentent de larges zones dont les couleurs sont trs proches (ciel, mer, constructions, etc.). Pour les images animes, les images successives sont trs souvent trs semblables. la corrlation spatiale voque plus haut s'ajoute donc une corrlation temporelle, sans doute encore plus forte.

Mthode diffrentielle simple

Une premire tape pour rduire la taille des donnes est de transmettre non plus la valeur de l'chantillon, mais celle de la diffrence avec l'chantillon prcdent, qui est statistiquement infrieure et peut donc tre code sur un nombre de bits plus rduit. L'utilisation de ce principe pour un codage non dgradant (entirement reversible) suppose cependant un codage des diffrences entre deux chantillons avec un codage longueur variable, la manire de la mthode de Huffman. Or, une telle mthode, qui suppose une analyse statistique pralable de l'ensemble des donnes, n'est pas adapte ce type d'utilisation : d'une part, elle ne peut tre applique en temps rel (analyse et compression en deux passes), et, d'autre part, elle ncessite des traitements de dcodage plus complexes qui peuvent se rvler incompatibles avec les matriels de restitution grand public.


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Exemple

Dans le cas d'une numrisation du son sur 8 bits (256 niveaux), 22 kHz, un codage diffrentiel sur 4 bits (16 niveaux) ncssitera 16 chantillons pour transmettre une variation de 0 255 alors que cela est possible en 1 chantillon avec 8 bits. Mais une telle transition est fort improbable, et la perte de qualit se rvle proche de zro. Les donnes transmises sont quivalentes en volume un codage 11 kHz sur 8 bits, avec une qualit de restitution bien suprieure.

Dans le cas des images fixes, on peut galement utiliser une mthode diffrentielle, par ligne, ou par colonne. Chaque pixel sera alors cod partir de la diffrence avec le pixel prcdent, et on peut alors appliquer les mthodes Huffman ou LZ aux donnes obtenues. Ce codage, largement utilis par le pass, suppose nanmoins des traitements assez lourds (calcul des diffrences et codage LZW) et se rvle de moins en moins performant lorsque le nombre de couleurs augmente. Dans ce cas, il est ncessaire de raliser un codage en 3 plans monochromes (RVB ou YCC) pour obtenir de bons rsultats.

On peut galement citer le format DYUV exploit par le CD-I, qui ne code totalement que le premier pixel de chaque ligne, les autres tant cods par diffrence avec l'lment prcdent.

Mthode diffrentielle adaptative

Le procd peut tre amlior en ralisant une prdiction plus prcise que la simple prise en compte de la valeur de l'chantillon prcdent. Cela peut par exemple, dans le cas du son, tre ralis par extrapolation de la vitesse de variation du signal sur les chantillons prcdents. La valeur dlivre par le prdicteur est alors celle de l'chantillon prcdent, corrige en tenant compte de la moyenne des variations constates sur quelques chantillons passs. Le codage ainsi obtenu permet, avec un mme nombre de bits de codage, des altrations largement plus rduites qu'avec la mthode diffrentielle simple.

La compression d'images peut galement tre ralise en calculant une valeur thorique probable pour un pixel partir des pixels voisins, et en codant la diffrence entre l'tat rel du pixel et cette prdiction. Les mthodes classiques de compactage, comme celles de Huffman ou de Lempel-Ziv, permettent alors de rduire la taille des donnes obtenues. Dans le cas le plus simple, la prdiction est ralise partir de la moyenne des pixels de l'image, le coefficient de corrlation des pixels conscutifs, et l'unique valeur du pixel prcdent.

L'algorithme obtenu est disymtrique : le codage, qui comprend une analyse pralable de la totalit de l'image, se rvle largement plus complexe que le dcodage. Des procds plus labors peuvent tre utiliss en tendant l'environnement un plus grand nombre de pixels (souvent 8), ainsi qu'en dcoupant l'image de base en plusieurs images plus rduites (souvent 8x8 pixels), ce qui permet de rduire l'cart type.

Pour les images animes, les procds d'extrapolation utiliss pour le son peuvent permettre de prdire le mouvement, mais il est souvent plus efficace de le traduire


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sous forme d'un vecteur obtenu par interpolation entre deux images distantes. Cependant, dans ce cas, les images doivent tre traites dans un ordre diffrent de celui de la restitution, ce qui contribue rendre les traitements plus complexes, notamment en ce qui concerne le codage.

Performances

Dans le cas de la compression de donnes sonores, les codages diffrentiels et diffrentiels adaptatifs (DPCM et ADPCM) offrent des rsultats satisfaisants. La qualit de restitution est directement fonction des paramtres de numrisation, en particulier la frquence d'chantillonnage et le nombre de valeurs disponibles sur l'chelle de quantification (8 bits : 256 valeurs ; 16 bits : 65 536 valeurs). Un codage DPCM ou ADPCM sur un nombre de bits divis par 2, offre un encombrement quivalent une frquence d'chantillonnage divise par 2, avec une qualit largement suprieure.

Dans tous les cas, le rapport de compression envisageable sans dgradation sensible ne peut dpasser 10. En effet, le signal sonore est unidimensionnel et prsente une corrlation beaucoup moins forte que les images.

La compression d'images selon ces mthodes donne des gains de compression temporelle trs variables, selon la nature des donnes (entre 20 et 80 %), mais qui se dtriorent lorsque le nombre de couleurs augmente.

8.4. La transformation cosinus discrte ou DCT

L'utilisation de transformations mathmatiques permet de remplacer les valeurs produites par la numrisation, par des donnes de nature diffrente qui peuvent se rvler plus faciles compresser.

Parmi les transformations mathmatiques les plus connues, la transformation de Fourier permet de traduire une variation de signal par rapport au temps dans le domaine frquentiel (dcomposition spectrale).

Concernant des signaux numriss, on peut utiliser la transformation de Fourier discrte (Fast Fourier Transform ou FFT). En pratique, on dfinit aussi la transformation inverse (IFFT ou Inverse Fast Fourier Transform) qui restitue fidlement les donnes initiales. En outre, les calculs ncessaires cette transformation sont une succession de multiplications et d'additions, trs rapidement excutables par un processeur simple.

Dans le cas d'images fixes, il s'agit d'analyser un signal ne variant plus en fonction du temps, mais bien en fonction de la position du pixel dans le plan de l'cran ; c'est une transformation de mme nature que la transforme de Fourier qui est invoque, mais oprant en fonction des coordonnes X et Y du pixel. La Transformation Cosinus Discrte (DCT ou Discrete Cosine Transform) permet de dcomposer le signal lumineux composant l'image (X et Y pour les coordonnes du pixel, Z pour sa dfinition lumineuse) selon une combinaison de fonctions trigonomtriques, identifiables par leur frquence et leur amplitude.


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Application de la DCT un pav de 8 pixels de cot.

Elle traduit cette information spatiale en une information frquentielle, X et Y reprsentant alors les frquences du signal dans les deux dimensions (horizontale et verticale).

Comme la FFT, la DCT est une transformation entirement reversible (IDCT, inverse de la DCT restitue fidlement les donnes initiales), et son application n'est l'origine d'aucune perte d'information.

En pratique, l'image est gnralement code en YUV, et traite comme trois images monochromes ou plans. La DCT est alors applique successivement aux donnes du plan de luminance (Y) et des 2 plans de chrominance (U, V). Pour limiter le nombre d'oprations effectuer, la transformation est applique des zones rectangulaires de l'cran, gnralement de 8 x 8 pixels.

1 : dcomposition d'une image en 3 plans YUV


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2 : dcoupage de chaque plan en pavs de 8 x 8 pixels et application de la DCT

La DCT produit une matrice de 64 coefficients (8 x 8 ), rangs selon les frquences croissantes selon les axes horizontal et vertical. Gnralement, la plus grande partie de l'nergie est concentre dans les basses frquences du spectre (le fond de limage) qui sont exprimes par les coefficients les plus proches du coin suprieur gauche de la matrice.

.

Pixel (x,y) dsigne la valeur du pixel de coordonnes (x,y) et DCT(i,j) le coefficient repr par la ligne i et la colonne j dans la matrice DCT.

Transformations DCT et IDCT appliques un pav de N x N pixels

Voici un exemple concret dapplication de la DCT une matrice de 8x8 pixels 256 niveaux de gris.

Matrice des pixels dentre :

140 144 147 140 140 155 179 175

144 152 140 147 140 148 167 179

152 155 136 167 163 162 152 172

168 145 156 160 152 155 136 160

162 148 156 148 140 136 147 162

147 167 140 155 155 140 136 162

136 156 123 167 162 144 140 147

148 155 136 155 152 147 147 136


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Matrice DCT :

186 -18 15 -9 23 -9 -14 -19

21 -34 26 -9 -11 11 14 7

-10 -24 -2 6 -18 3 -20 -1

-8 -5 14 -15 -8 -3 -3 8

-3 10 8 1 -11 18 18 15

4 -2 -18 8 8 -4 1 -7

9 1 -3 4 -1 -7 -1 -2

0 -8 -2 2 1 4 -6 0

La compression sera ralise ultrieurement sur cette matrice en remplaant progressivement les coefficients les moins significatifs (ceux proches du coin infrieur droit de la matrice) par des approximations de plus en plus grossires, selon des chelles de quantification bien dfinies ; pour des gains suprieurs, on ignorera les valeurs les plus proches du coin infrieur droit de la matrice. Le dcodeur utilisant alors un intervalle de valeur et non la valeur exacte, la prcision des valeurs du bloc de pixel reconstruit par l'IDCT est rduite.

Le coefficient suprieur gauche de la matrice (coordonnes 0,0) reprsente une frquence horizontale et verticale nulle ; il est proportionnel la valeur moyenne des pixels du bloc trait et permet donc lui seul une prdiction du bloc de 8 x 8, voire la reconstruction d'une image de prvisualisation par pavs de 8 x 8 (compression thorique du bloc N x N : 1/N). Ainsi, la DCT permettra d'effectuer aisment une compression dgradante en liminant progressivement les informations les moins pertinentes.

8.5 D'autres transformations mathmatiques

Les ondelettes (Wavelets)

Si les transformes de Fourier et DCT rendent de considrables services, elles sont l'origine plus adaptes aux traitements de signaux continus stationnaires. On travaille aujourd'hui de nouvelles transformations qui dcomposent le signal non pas en fonctions sinusodales simples, mais en des fonctions moins rgulires, les fonctions en ondelettes . Il s'agit ici de dcomposer le signal en une combinaison de morceaux d'ondes, ce qui quivaut un filtrage en sous-bandes, utilis dans les techniques de compression audio.

Bien plus adapte au traitement des images numriques, les transformations en ondelettes permettront sans doute dans un avenir proche d'obtenir de bien meilleurs taux de compression, avec une moindre dgradation. Cependant, l'utilisation de telles mthodes suppose dans bien des cas la ralisation de processeurs spcialiss ; compte tenu de l'antriorit des mthodes fondes sur la DCT, et de la banalisation des processeurs correspondants, on peut se poser des questions sur l'avenir de mthodes alternatives, aussi prometteuses soient-elles.


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Fractales

La dcomposition fractale des images est une autre piste souvent voque par les chercheurs. Il s'agit ici de dterminer point par point une ou des fonctions mathmatiques particulires (les fonctions fractales) dont les valeurs approcheront au mieux l'image initiale. Si le traitement initial est important (il s'agit de trouver point par point la fonction qui approche le mieux le signal), la dcompression est de nature toute diffrente puisqu'il s'agit alors seulement d'appliquer la fonction trouve.

Essentiellement dissymtriques, les algorithmes fractals semblent pouvoir offrir des gains de compression considrables, sous rserve de disposer de capacits de calcul suffisantes

Les premiers logiciels sont aujourd'hui capables de traiter une image 640 X 480, 16 millions de couleurs en quelques minutes pour la compression, alors que l'affichage se fait plus rapidement que pour les images JPEG quivalentes (moins d'une seconde). Un taux de compression de 1 % (!), vrifiable par la taille du fichier (de 900 ko 9 ko), permet d'afficher une image sans dgradation notable, alors qu'une compression JPEG dans les mmes proportions ne permet la restitution que d'un vague damier.

Encore convient-il de prciser que ce procd ne convient pas tous types d'images. Une particularit de cette mthode est qu'elle produit un codage entirement vectoris, et ne conduit donc aucun effet de pixlisation. Il est mme possible de restituer l'image une dfinition suprieure celle de dpart (gnralement 2 fois plus fine) ! Bien entendu, les points intermdiaires sont produits par calcul, partir de la fonction fractale obtenue, sans rapport direct avec l'image de dpart. Si l'image traite est suffisamment rgulire , le rsultat peut tre tonnant, mais il peut galement se rvler dcevant dans le cas de contours trs finement cisels.

Ce procd a t notamment utilis par Microsoft pour l'encyclopdie Encarta. Il permet de stocker un trs grand nombre d'images sur un support (par exemple, 10 images 640 X 480 en 16 millions de couleurs sur une disquette), mais requiert un logiciel spcifique pour la dcompression. L'absence de normalisation de cette solution reste cependant une limite son exploitation.

8.6 Application, les images fixes JPEG

Le CCITT et l'ISO ont runi dans les annes quatre-vingt le groupe JPEG (Joint Photographic Experts Group) qui a permis l'adoption en 1992 de la norme ISO/CEI 10 918, plus connue sous le nom de norme JPEG.

JPEG est un ensemble de spcifications et algorithmes de compression des images fixes. Leur statut de norme officielle constitue une volution essentielle.

JPEG est originellement prvu pour des images en 16 millions de couleurs (24 bits par pixel). Il a t labor pour permettre aussi bien une excution logicielle que la ralisation de circuits spcialiss.


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La technique conservative combine les techniques de codage prdictif/adaptatif avec les mthodes statistiques de Huffman, qui produit une compression conservative optimale (taux de 50 % environ). Les travaux du groupe JPEG sont pourtant essentiellement connus pour les compressions non conservatives.

Les algorithmes JPEG de compression non conservative sont fonds sur les proprits de la DCT.

Les images couleur sont gnralement codes comme trois images monochromes. Le codage de base des donnes reprsentant chaque pixel ne fait l'objet d'aucune spcification, mais c'est le YUV qui est gnralement utilis. L'image est tout d'abord dcoupe en zones de dimensions rduites (8 x 8 pixels), puis chaque pav est trait par la DCT. La compression, selon un taux laiss au choix de l'utilisateur, est effectue par quantification des coefficients issus de cette dcomposition spectrale. Cette tape est la seule l'origine des dgradations. Enfin, les donnes obtenues sont codes sous une forme elle-mme compresse au moyen des algorithmes conservatifs dcrits plus haut (Huffman ).

Les compressions/dcompressions successives sont toujours dgradantes, avec un effet cumulatif, et il convient donc de limiter ces oprations. On estime gnralement qu'une image JPEG ne contenant aucune information superflue (dfinition en nombre de points et de couleurs conforme au dispositif de restitution) tolre sans dgradation notable un taux de compression de l'ordre de 1 pour 10.

Tous les logiciels de traitement d'images exploitent actuellement le format JPEG, en importation comme en exportation. Il en va de mme des appareils photos numriques. Des processeurs spcialiss sont galement disponibles sur le march. Il faut galement signaler des versions drives de JPEG adaptes au codage de la vido anime, connue sous le nom de M-JPEG (Moving JPEG ou Motion JPEG). La mthode retenue consiste en un codage de chaque image selon le procd JPEG. On nutilise pas ici la redondence temporelle, ne pas confondre M-JPEG et MPEG.


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9. Un problme spcifique : la vido numrique

Les flux de donnes ncessaires la vido numrique sont considrables. Ainsi, le codage 4.2.2 ncessite 166 Mbits/s, pour une dfinition de 720 x 576 sur 16 bits, 25 images par seconde. L'avis CCIR 601, qui fixe les paramtres de ce codage, retient un dbit nominal, comprenant son et donnes, de 216 Mbits/s, ou encore 270 Mbits/s avec un codage sur 20 bits. 3 Go sont ncessaires pour seulement 20 minutes de programme sans compression. Cependant, il y a une trs forte corrlation spatiale et temporelle entre les donnes qui composent une squence. Lorsqu'il n'y a pas de changement de plan, la redondance spatiale et temporelle moyenne d'une squence de vido anime peut tre estime entre 98 et 99 %.

Si ce chiffre peut laisser envisager des taux de compression thoriques de l'ordre de 1 2 %, il reste bien entendu tout fait illusoire de les approcher sans dgradation. La conservation d'informations redondantes permet de tolrer un faible taux d'erreurs de transmission.

9.1. Les images animes MPEG

Paralllement aux travaux du JPEG, le comit MPEG (Motion Picture Expert Group) a port ses efforts sur la compression de la vido anime. Le comit MPEG a travaill sur une norme de compression adapte l'exploitation d'images vido sur les matriels informatiques. Les contraintes poses concernaient principalement les dbits d'information, de l'ordre de 1,5 Mbits/s, soit peu de chose prs le dbit d'un CD-ROM en mode 2 (170 ko/s).

Le rsultat est la norme ISO/CEI 11172, plus connue sous l'appellation MPEG 1, et adopte par l'ISO en novembre 1993.

Les paramtres ayant servi de base aux travaux du groupe sont cependant actuellement trs en retard par rapport l'volution de la technique. Le comit MPEG a poursuivi ses travaux, et abouti au MPEG 2 adapte des dbits de 2 10 Mo/s. L'orientation retenue semble retenir une structure beaucoup plus ouverte, capable d'intgrer l'avenir d'autres algorithmes et de s'adapter aux volutions du contexte technologique. Paralllement, un sous-comit travaille galement l'laboration d'une norme MPEG 4, adapte aux usages en faible dbit (visiophonie, par exemple).

Procd

MPEG traite les images vido comme une succession d'images individuelles, dont chacune est reprsente comme une matrice de pixels.

Format de numrisation

Le codage est ralis en YUV, soit une information de luminance et de deux de chrominance. Cependant, selon des usages dsormais classiques en vido numrique, la luminance de chaque pixel est code pleine rsolution, alors que la chrominance, moins perceptible l'il, est code par pavs de 2 x 2 pixels, soit un dfinition en chrominance de 1/4.


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Codage prdictif

L'exploitation de la redondance statistique des informations constituant une squence vido permet de limiter largement les informations transmises. En se fondant sur les valeurs codes auparavant, le codeur et le dcodeur peuvent souvent prdire la valeur du pixel suivant. Seule la diffrence entre le pixel et la valeur prdite doit alors tre code, et elle est gnralement proche de 0 (peu de variations entre les pixels). Ainsi, ce n'est pas seulement la corrlation spatiale qui est utilise, comme pour un codage JPEG, mais galement la corrlation temporelle entre des images successives.

Compensation du mouvement

La compensation du mouvement est obtenue par le dplacement d'un bloc de pixel voisin de l'image prcdente vers un bloc de l'image en construction, selon un vecteur de mouvement dont les coordonnes sont calcules partir de la succession des images prcdentes. Sur une courte succession d'images, on constate en effet que la plupart des pixels reste souvent inchang d'une image l'autre, alors que les autres subissent de lgers dplacements par blocs. Les premires stations de compression demandaient une intervention manuelle pour ce codage, rendant l'opration coteuse, interdisant un traitement en temps rel, et conduisant un rsultat largement dpendant du savoir-faire de l'oprateur. Les systmes proposs aujourd'hui garantissent un traitement automatique, pratiquement en temps rel, en recherchant chaque pav de 8 x 8 de l'image prcdente dans une zone plus large de l'image suivante (gnralement un carr de 32 64 pixels de ct).

Transformation spectrale

Applique des blocs de 8 x 8 pixels, la transformation DCT permet d'obtenir une matrice 8 x 8 de coefficients de frquences horizontales et verticales. Cette tape n'apporte en soi aucun gain en volume, mais permet de classer les informations selon des frquences croissantes, de moins en moins perceptibles pour l'il humain. La compression sera ralise ultrieurement au moyen d'un remplacement progressif des coefficients les moins significatifs (dfinissant les informations les moins perceptibles l'il) par des valeurs approches de plus en plus grossires, codes sur un nombre de bits plus rduit.

Codage de longueur variable

Grce un codage statistique driv de Huffman, des mots de longueur variable sont utiliss pour coder les signaux, en utilisant les plus courts pour les donnes les plus frquentes.


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Trois types d'images

MPEG utilise 3 types d'images :

les images Intra (I) sont codes entirement, sans rfrence aux autres ni prdiction temporelle ou compensation du mouvement (comparables des images JPEG). Les images I servent de rfrence pour le dcodage des autres images, qui exploitent la corrlation temporelle ; il y a au moins une image I au dbut de chaque plan, puis toutes les 12 images.

Les images Prdictives (P) sont codes avec une prdiction temporelle partir des images dj dcodes, ventuellement avec compensation du mouvement. Le codage utilis est de type diffrentiel. La taille moyenne d'une image P est d'environ 50% dune I.

Les images Bidirectionnelles (B) sont obtenues par interpolation et sont les plus compresses. Elles sont codes partir de deux images compltes (I ou P), situes dans le temps avant et aprs l'image B dcoder, l'aide de vecteurs de dplacement. La taille moyenne des donnes correspondant une image B est d'environ 15%, mais le dcodage n'est possible que si les deux images de rfrence sont disponibles. Les donnes codes doivent alors tre organises selon un ordre qui ne correspond plus au droulement normal des images.

Le codage MPEG1 est capable de produire des images de qualit suprieure celles d'un magntoscope VHS.

La qualit obtenue dpend directement du soin apport l'opration. Dans bien des cas, la numrisation proprement dite est prcde par un prtraitement en rgie vido numrique, pour rduire la dynamique des images et en simplifier le codage, en adaptant le flux d'informations la bande passante disponible.

Le MPEG 2 de plus haute qualit et compatible avec les attentes en matire de haute dfinition, alors que la rapide volution des technologies informatiques (CDX1) rend actuellement caduque la limitation du dbit 1,5 Mbit/s.

Le codage MPEG 2 est organis autour d'un profil principal dfini pour le service le plus important, la diffusion de vido. D'autres profils secondaires, organiss selon un mode hirarchique, permettront d'assurer d'autres services, ventuellement avec une qualit dgrade.

9.2. Autres techniques utilises pour les images animes

Paralllement aux travaux de MPEG, le secteur informatique a dvelopp ses propres solutions pour amener la vido sur les crans des micro-ordinateurs.

Quicktime

Apparu en 1991, Quicktime a t intgr au Systme 7 des Macintosh. Il s'agit d'un environnement de dveloppement et d'excution qui permet d'associer des donnes classiques des fichiers reprsentant des squences sonores ou vido.

Quicktime comprend essentiellement des formats de donnes standardiss, des procds de compression/dcompression, et une interface utilisateur spcifique. L'extension systme utilise est fonde sur le principe du maintien de l'isochronie des donnes, et introduit donc le temps comme lment principal du systme d'exploitation. Les fichiers Quicktime sont principalement de deux types : une extension du format PICT est destine coder les images fixes, avec de nouvelles


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possibilits de compression et prvisualisation, et le nouveau format MOV permet d'accder par un systme de pointeurs aux donnes vido, sonores et autres, qui doivent tre synchronises et stockes par ailleurs.

Quicktime est surtout conu comme un ensemble de spcifications trs ouvert, capable d'intgrer facilement un grand nombre d'volutions matrielles et logicielles, sans remettre en cause les applications existantes.

Vido pour Windows

Vido pour Windows est un ensemble logiciel commercialis par Microsoft et permettant la capture et la restitution de vido anime sur PC.

L'excution de squences vido est possible sans matriel spcifique, alors que la capture doit tre faite au moyen d'une carte de numrisation. Une large compatibilit est permise grce la dfinition de spcifications permettant d'intgrer des matriels aux fonctionnalits diffrentes. Ainsi, travers un ensemble de pilotes, Vido pour Windows sera capable de supporter des priphriques aux fonctionnalits diverses, tout en assurant, autant que possible, les fonctions manquantes au niveau logiciel.

Pas plus que Quicktime, Vido pour Windows n'est pas un algorithme de compression. Il s'agit plutt d'une interface standardise entre le matriel et les procds de codage et de compression (les codecs), qui offre des API (interfaces de programmation) relativement indpendantes du matriel. Cependant, comme Apple, Microsoft a galement dfini des algorithmes de compression adapts diffrentes situations (Microsoft Vido 1, Microsoft RLE compressor), et intgre ceux proposs par des socits tierces, comme Indeo d'Intel.

Le procd Indeo

Intel a dvelopp les algorithmes Indeo permettant la restitution, soit travers un quipement de type Actionmedia, soit entirement par logiciel. Intgrs Vido pour Windows et Quicktime, ils permettent une amlioration sensible de la qualit de restitution dans chacun de ces environnements.

La dcompression de squences Indeo est prsent entirement confie au processeur principal et la qualit de restitution (taille des images, nombre de trames par seconde) est directement lie au type de matriel utilis.

Voir aussi Divx, Mpeg4


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10. Le codage du signal

Le chapitre prcdent cest intress aux techniques de codage de la source dinformation, dans le but daugmenter le dbit, quel que soit le moyen physique utilis pour raliser la transmission. Nous allons maintenant analyser diffrentes techniques utilises pour coder ces informations sur le support physique lui-mme.

Il y a 4 configurations possibles Signal analogique: Une onde lectromagntique variant de manire continue. Signal digital : Une squence dimpulsions de tension constitue le signal Donnes digitales, elles ont des valeurs discrtes, ex : nombres,textes

1 Signal analogique Ex : PC (Digital Data) Modem Analog Signal, ligne tleph.

2 Signal digital Ex : Scanner (Digital Data) USB PC

Donnes analogiques, elles ont des valeurs continues, ex : son,temprature

3 Signal analogique Ex : Voix (Analog Data) Tlephone Analog Signal 4 Signal digital Ex : Voix ( Analog Data) CODEC GSM Digital Signal

Raisons du choix Digital data Digital Signal, simple Analog data Digital Signal, permet lutilisation dquipements digitaux, la commutation, le multiplexage Digital data Analog Signal,permet lutilisation des rseaux tlphoniques Analog Data Analog Signal, simple, le tlphone au dpart tait analogique Caractristiques des systmes de transmission analogique Transmettent un signal indpendamment du fait quil tranporte des donnes analogiques ou digitales. Ncessitent des amplificateurs, ils amplifient galement le bruit. Caractristiques des systmes de transmission digitaux Particuliers au type de signal Ncessitent des repeaters qui rgnrent les codes et les retransmettent. De plus en plus utiliss.


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10.1 Signal Analogique - Donnes Digitales

Le signal est une sinusode dcrite par 3 paramtres : amplitude,frquence et phase, chacun de ses paramtres correspond une modulation Amplitude shift keying (ASK)

Deux niveaux binaires (0,1) sont encods sous forme de 2 niveaux damplitude de la porteuse Pas trs efficace Peut tre utilis jusqu 1200 bps sur une ligne tlphonique Fibres optiques

Frequency shift keying (FSK) Deux niveaux binaires (0,1) sont encods sous forme de 2 frquences de la porteuse Plus performant que ASK. Premire technique denregistrement des programmes sur micro-ordinateurs Frquemment utilis en radio haute frquence ( 4 30mhz)

Phase shift keying (PSK) Deux niveaux binaires (0,1) sont encods sous forme de 2 dcalages de phase sur la porteuse. Plus performant que FSK Utilis jusqu 9600b/s sur ligne tlphonique

Les diffrentes techniques peuvent tre combines, on peut galement utiliser plus de 2 valeurs pour le paramtre que lon fait varier. On augmente la valence et le dbit


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En combinant PSK et ASK, on peut ainsi placer 4 bits dans chaque symbole transmit, On peut raliser 56kps sur une ligne tlphonique. Le systme QAM utilise 4 phases shifts et 2 amplitudes 10.2 Signal Digital Donnes Analogiques Dans ce cas, la transmission est prcde dune conversion analogique/numrique. Cest le systme gnralement utilis pour la voix. Cette technique sappelle Pulse Code Modulation (PCM) Le thorme dchantillonage tablit que si un signal est chantillonn une cadence 2 fois suprieure la plus haute frquence quil contient, alors les chantillons contiennent toutes les informations du signal et celui-ci peut tre reconstruit. La voix dans le rseau tlphonique est limite par filtrage 4KHz. Il est donc ncessaire (et suffisant) de raliser 8000 chantillons par seconde. Chaque chantillon est cod comme un nombre binaire sur 8, 10, 12 ou 16 bits En tlphonie on utilise 8 bits, ce qui donne 256 niveaux pour chaque chantillon En Hifi, les CD utilisent 16 bits/sample ( X 2 en stro) Notez galement le codage PWM, il consiste envoyer cadence fixe des impulsions dont la dure dpend de la valeur de lchantillon correspondant.

C'est la dure D qui reprsente linformation, elle peut varier de facon continue entre 2 valeurs, donc donnes analogiques (une infinit de valeurs possibles) et signal digital (seulement 2 valeurs possibles). Cette technique est trs simple mettre en uvre, il suffit dun monostable contol en tension pour lmetteur et dun intgrateur pour le rcepteur.


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10.3 Signal Digital - Digital Data Lors dune transmission digitale, les celulles correspondant aux bits successifs doivent tre spares, cest le rle des impulsions de lhorloge (clock). 1 0 0 1 0 1 DATA CLOCK Cette clock peut prendre la forme dun train dimpulsions, au moment de limpulsion, la donnee est stable et on peut la rceptionner ou bien un signal carr, cest alors les transitions montantes, descendantes ou les 2 qui donnent linstant de rception. En gnral, except pour des liaisons courte distance, on essayera de nutiliser quune ligne plutot que 2 et on cherche des techniques qui permettent de supprimer la ligne clock Nonreturnto-zero-level (NRZ)

2 voltages pour reprsenter les 0 et 1 Par exemple un voltage ngatif voltage =1 et positif =0 Le signal ne retourne jamais zero volt On supprime simplement la clock, partant du principe que les dures des bits sont connues du transmetteur et du rcepteur Ok pour les courtes distances et vitesses lentes


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NRZI ( NRZ, invert on ones) Le voltage est constant pendant la dure du bit Pas de transition =0 Transition de haut bas ou de bas haut =1 On peut inverser les fils

Dsavantages des codes NRZ

Difficile de dire o commence et finit un bit Avec des longues sries de 1 ou de 0 le rcepteur peut se dsynchroniser

Bi-Phase Encoding

Force au moins une transition chaque bit Cela permet de toujours synchroniser le rcepteur Labsence de transition pendant un bit indique une erreur

Manchester Une transition au milieu de chaque bit Bas vers haut = 1 Haut vers bas = 0 Exemples: Ethernet, tlcommande IR


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Manchester Differentiel Une transition au milieu du bit sert uniquement de clock Transition en dbut de priode =0 Pas de Transition en dbut de priode =1 Exemple: Token Ring


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10.4 Signal Analogique - Donnes Analogiques Cest le domaine purement analogique, on parle alors plutot de modulation. Le signal transmettre est converti par des oprateurs analogiques, fitrage,additions,multiplications, drives,intgration Les techniques de modulation principale sont : AM Amplitude Modulation FM Frequency Modulation PM Phase Modulation Ce sont les techniques utilises en tlvision et radio traditionnelles. Lexemple le plus complexe tant la tlvision couleur (systme PAL). Elle combine dans un seul signal analogique la fois un signal dimage noir et blanc avec une bande passante de 4MHZ, 2 signaux de couleurs et un signal son.

une ligne dun signal vido couleur en bande de base Remarque, Les traitements analogiques lis la modulation et la dmodulation se ramnent gnralement une ou

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Introduction Aux Transmissions de Données