Premiers pas et bases des communications numériques

Premiers pas et bases des communications numériques 

Essentiellement, le numérique a vu le jour via la double découverte dans les laboratoires Bell. La présentation sous forme mathématique, statistique, de la théorie de l’information par C. Shannon en 1948 a révolutionné, à sa façon, le domaine de la communication en définissant la quantité d’information associée à une source et le débit maximal d’information qui peut être transmis de façon sûre dans un canal de transmission. La deuxième innovation est le transistor (1940), dispositif visiblement très petit face aux tubes à vides et qui va les remplacer dans les amplificateurs.

Avant cela, des études théoriques ont été effectuées : N. Nyquist et R. V. Harley sur la théorie de la transmission (1928), N. Wiener et H Khintchine sur l’analyse des signaux aléatoires (1938), A. Reeves sur les modulations par impulsion codées (1938), et bien évidemment C. Shannon (énoncé précédemment) sur la théorie de l’information et du codage, … Eriger un système de communications numériques suppose des connaissances dans plusieurs domaines à savoir : l’électronique et la microélectronique, les antennes, le réseau, la théorie de l’information et du codage,…

En somme, trois disciplines sont à la base de notre sujet, pouvoir transmettre des données avec le maximum de fiabilité d’une source à un destinataire :
– la théorie de l’information pour énoncer les limites fondamentales des systèmes étudiés ;
– la synthèse et le traitement de signal pour l’interface avec le canal ; et
– le codage de canal.

Evolution et perspectives 

Depuis, les communications numériques n’ont cessé de déployer leurs ailes gagnant maintenant des applications sans fils et mobiles, l’Internet haut débit, la télévision numérique, … Les techniques de codage spatio-temporel sont apparues avec le 3GPP avec le HSPDA, le WiFi avec la norme 802.11n, le WiMAX avec la norme 802.16e, les Golden Codes pour la liaison MIMO, etc.

Toujours dans le volet codage, les techniques de codage « capacity achieving » se développent avec la normalisation de turbo-codes et de code LDPC. En terme de modulation/accès, le CDMA ayant fait ses preuves vers les années 90 et début 2000, il commence maintenant à être remplacé par la technique OFDM de part son adéquation aux débits et son efficacité spectrale élevée mais elle nécessite une étape de synchronisation importante.

Avantages du numérique 

De la procédure même de numérisation, les niveaux observés en analogique sont réduits. Ceci est une lame à double tranchant. D’une part, cela réduit la précision et introduit des bruits de quantification, mais ils peuvent être gérés et sont moins nuisibles par rapport aux altérations en analogique. D’autre part, cela constitue un avantage du numérique car une régénération d’un signal affaibli est possible donc une réduction considérable des erreurs est faisable d’où la déduction d’une immunité aux bruits. Qui dit numérique suppose essentiellement des « 0 » et des «1 ». Par commodité, exploiter et manipuler deux types de signaux qui ne diffèrent que de quelques paramètres, est mieux que de traiter un signal à paramètres purement aléatoires. De plus, une optimisation de l’utilisation de la bande passante devient chose facile.

Chaîne de transmission numérique 

Un système de transmission se soucie de l’acheminement vers le destinataire, avec le maximum de fiabilité, des informations présentées à la sortie de la source. Initialement, cette information est en bande de base, donc après le passage par le canal, le système récepteur doit incorporer un moyen pour le rendre à son état de départ : démodulation. Une chaîne de communication se résume alors par la mise en forme de l’information pour qu’elle soit adaptée au canal (côté émetteur) et la récupération de celle-ci (côté récepteur).

Objectif d’une transmission numérique 

Comme on est en numérique, le flux d’information qui transitera dans la chaîne de communication devra donc être sous forme discrète. Le maximum de fiabilité est le but premier de la transmission : le message émis au début de la transmission doit être récupéré le plus fidèlement possible au bout de la chaîne. Dans l’optique de traitement du signal, une chaîne de communication représente l’ensemble des traitements reliant une source à un destinataire. Ceci consiste en une mise en forme de l’information pour qu’elle soit adaptée au canal dans lequel elle se propagera.

Source

Le siège de la numérisation est la source. En communications numériques, la sortie de ce bloc doit être binaire ou M-aire. Pour le cas où le message est encore analogique, un échantillonnage est d’usage puis une quantification et enfin un codage en m éléments binaires (M = 2ᵐ ) .

C’est seulement après cette conversion que la chaîne peut fonctionner normalement. Les suites d’éléments binaires peuvent transiter dans les autres modules. Une telle source s’appelle source à valeurs discrètes. Elle génère un processus aléatoire à temps discret, une suite de variables aléatoires, à valeurs discrètes finies.

Codeur/décodeur 

Le codage est une discipline relativement jeune qui a fait des progrès décisifs dans les années 60 et 70. On peut distinguer deux acceptions différentes du mot «codage ». Afin de traiter la suite de données, d’information binaire, il faudra la traduire en signal électrique perceptible par les dispositifs électroniques. C’est une première définition du codage. La deuxième concerne sa fonction de liaison bijective entre deux séquences binaires : un codeur est un quadripôle actif qui opère sur un signal aléatoire pour engendrer un autre signal aléatoire contenant la totalité de l’information débitée par la source. En définitive, les données à transmettre seront prises dans un alphabet, qui peut être, soit l’ensemble binaire {0, 1}, soit un ensemble de mots binaires.

TATOUAGE AUDIONUMERIQUE

Le tatouage audionumérique est l’art d’insérer un message « secret » dans un contenu audio. Il exploite les imperfections du système auditif pour arriver à cette fin en usant des fonctionnalités offertes par un modèle psychoacoustique. Ce dernier modélise les perceptions humaines pour pouvoir effectuer sans gêne auditive la mission d’incrustation du tatouage. Le signal tatoué devra, après cela, traverser la chaîne dédiée au signal audio. Pour cela, connaître les différents formats et normes est nécessaire. Le but premier du tatouage est la sécurisation des données comme le font la cryptographie et la stéganographie à leurs manières. Insérer un signal dans un autre, et de plus audio, présuppose des contraintes qui lui sont propres ; les méthodes d’insertions devront donc être adaptées à l’application.

Système auditif et psychoacoustique 

Loin de se limiter sur le seul organe de l’ouie, le système auditif s’étend jusqu’au cerveau qui effectue l’analyse des sons entendus, d’où la notion de psychoacoustique. Aussi bien les défaillances siégeant dans l’oreille que celles lors de l’interprétation du cerveau, peuvent détourner la réalité sonore : ce sont les phénomènes de masquage. Les modèles psychoacoustiques (MPA) en tirent profit pour des applications qui requièrent un changement du contenu sonore sans pour autant rendre la musique audophile .

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 COMMUNICATIONS NUMERIQUES
1.1. Généralités
1.1.1. Premiers pas et bases des communications numériques
1.1.2. Evolution et perspectives
1.1.3. Avantages du numérique
1.2. Chaîne de transmission numérique
1.2.1. Objectif d’une transmission numérique
1.2.2. Composantes d’une chaîne de communications numériques
1.2.3. Source
1.2.4. Codeur/décodeur
1.2.4.1. Codeur de source
1.2.4.2. Codeur de canal
1.2.5. Modulations numériques
1.2.5.1. Modulation par Déplacement d’Amplitude
1.2.5.2. Modulation par Déplacement de Phase
1.2.5.3. Modulation par Déplacement de Fréquence
1.2.6. Canal de transmission
1.2.7. Réception
1.2.7.1. Démodulation et filtrage
1.2.7.2. Synchronisation
1.2.7.3. Egalisation
Chapitre 2 TATOUAGE AUDIONUMERIQUE
2.1. Système auditif et psychoacoustique
2.1.1. Organe de l’ouïe
2.1.1.1. Oreille externe
2.1.1.2. Oreille moyenne
2.1.1.3. Oreille interne
2.1.1.4. Cerveau et audition
2.1.1.5. Filtres auditifs
2.1.2. Psychoacoustique
2.1.3. Phénomène de masquage
2.1.3.1. Masquage temporel
2.1.3.2. Masquage fréquentiel
2.1.4. Modèle psychoacoustique
2.2. Formats et normes de l’audionumérique
2.2.1. Transmission numérique de l’audio
2.2.1.1. Audio Engineering Society/European Broadcasting Union
2.2.1.2. Format Musical Instrument Digital Interface
2.2.1.3. Sony/Philips Digital InterFace et Alesis Digital Interface
2.2.2. Compression audionumérique
2.2.2.1. Motion Picture Expert Group audio et ses dérivées
2.2.2.2. Autres formats
2.2.2.3. Vocabulaire de qualité
2.3. Besoin de marquage
2.4. Types de marquage
2.4.1. Tatouage
2.4.2. Stéganographie
2.4.3. Cryptographie
2.5. Contraintes du tatouage
2.5.1. Inaudibilité
2.5.2. Débit et fiabilité
2.5.3. Autres contraintes
2.6. Attaques
2.7. Base du tatouage audionumérique
2.7.1. Schéma générique du tatouage
2.7.2. Mode opératoire
2.7.2.1. Insertion
2.7.2.2. Détection
2.8. Etat de l’art
2.8.1. Historique du tatouage
2.8.2. Evolutions et recherches dans le domaine du tatouage audionumérique
2.8.2.1. Tatouage publique
2.8.2.2. Tatouage informé
2.8.2.3. Détection par approche turbo code
2.8.2.4. Tatouage substitutif
2.9. Etalement de spectre et tatouage
2.9.1. Principe de l’étalement de spectre
2.9.2. Avantages de l’étalement de spectre
2.9.3. Etalement de spectre et tatouage
2.9.3.1. Premier modèle
2.9.3.2. Deuxième modèle
2.9.3.3. Troisième modèle
2.9.3.4. Quatrième modèle
2.10. Cyclostationnarité et tatouage
2.10.1. Définition et propriété de la cyclostationnarité
2.10.2. Tatouage publique et cyclostationnarité
2.11. Performances d’une chaîne de tatouage
2.11.1. Mesures de l’inaudibilité
2.11.1.1 Mesures subjectives
2.11.1.2. Mesures objectives
2.11.2. Probabilité d’erreur
2.11.2.1. Cas d’un canal gaussien
2.11.2.2. Cas d’un canal non gaussien
2.11.3. Attaque par désynchronisation
Chapitre 3 CHAINE DE TATOUAGE ET CHAINE DE COMMUNICATIONS NUMERIQUES
3.1. Canal à information adjacente
3.1.1. Idée de base et définition
3.1.2. Mise en œuvre du tatouage
3.1.2.1. Première approche
3.1.2.2. Deuxième approche
3.1.2.3. Troisième approche
3.1.3. Divergence entre tatouage et communication numérique
3.2. Simulation d’une chaîne de tatouage à information adjacente
3.2.1. Emetteur
3.2.1.1. Choix du signal original
3.2.1.2. Choix du message
3.2.1.3. Mise en forme du tatouage
3.2.1.4. Signal tatoué
3.2.2. Compression/décompression MPEG audio (mp3)
3.2.3. Récepteur
3.2.3.1. Forme du signal reçu
3.2.3.2. Retrait de la marque
3.2.3.3. Extraction du message
3.2.3.4. Décision
CONCLUSION

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