XV - La Transmission Numérique


Postulat.

À partir des années 1950 après l'invention du transistor en 1948 et avec la miniaturisation des composants électroniques, il est alors devenu possible de commencer à mettre en application une invention datant de 1937 et brevetée en 1938, née en France dans le Laboratoire Central de Télécommunications (LCT), filiale de la société Le Matériel Téléphonique (LMT), elle-même filiale de la société multinationale ITT ; laboratoire implanté au 46 avenue de Breteuil à Paris, grâce au génial britannique Alec Reeves : la Modulation par Impulsion et Codage, couramment appelée MIC.

La Modulation par Impulsion et Codage est une modulation numérique. Elle permet de transporter facilement sur de longues distances sous forme de nombres mathématiques une voie téléphonique sans affaiblissement ni altération pour peu que l'on dispose çà et là sur les liaisons MIC de transmissions téléphoniques, d'amplificateurs simplifiés à bas coût (les Répéteurs-Régénérateurs) qui vont régénérer à l'identique le signal utile de départ.

La Modulation par Impulsion et Codage permet de créer le Multiplexage Numérique des signaux de conversations téléphoniques en multipliant facilement et à bas coût le nombre de conversations téléphoniques simultanées sur de longues distances.

C'est pour cet ensemble de raisons que l'Administration s'est tournée dès 1957 vers la Transmission Numérique des conversations téléphoniques.

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Contexte initial.

Au départ, il faut rappeler que la totalité des commutateurs téléphoniques de l'époque (rotatifs, crossbar), puis ultérieurement semi-électroniques, commutent les abonnés d'un commutateur à l'autre en signal analogique.

- Pour des distances inférieures à 25 - 30 km, les liaisons sont directement transmises en basses fréquences (jusqu'à 3.400 Hz) directement sur les câbles de transmissions inter centraux.

- Pour les longues distances supérieures à 30Km, les liaisons étaient alors multiplexées analogiquement (par courants porteurs, chaque voie téléphonique étant alors modulée autour d'une fréquence centrale, dans le spectre des fréquences autorisées sur le câble considéré.)

Cependant, bien qu'aucun commutateur numérique n'était encore inventé, il est devenu progressivement rentable de convertir le réseau des transmissions analogiques en liaisons numériques.

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Historique de la Transmission Numérique téléphonique.

Le processus de numérisation commença progressivement, par des essais expérimentaux locaux, puis, l'on commença à convertir certaines grandes artères...

Ainsi, en sortie des commutateurs téléphoniques de transit de grande capacité (alors analogiques), les conversations téléphoniques étaient immédiatement numérisées puis multiplexées numériquement pour ensuite être transportées par des liaisons de transmissions numériques, sur de longues distances.

Sur les faisceaux de liaisons numériques, les signaux étaient facilement amplifiés puis régénérés par les Répéteurs, à bas coût, tout au long de leur trajet.

Puis, ces liaisons numériques, à leur entrée dans le commutateur suivant étaient reconverties en signaux de conversations analogiques basses fréquences, puis commutées soit vers les abonnés demandés, soit vers un commutateur suivant.

La technologie du Multiplexage Numérique remplaçait donc le Multiplexage Analogique sur les artères des centres de transit, petit à petit...

  • En 1966, la première liaison numérique MIC à 36 voies temporelles synchrones est mise en service, en exploitation réelle, entre Paris-Bonne Nouvelle et Chaville (78).
  • En 1970, la première liaison numérique MIC à 32 voies temporelles synchrones est mise en service, en exploitation réelle, entre Saint-Pol-de-Léon et Cléder, dans le département du Finistère.
  • En 1970, la première liaison numérique temporelle synchrone par Faisceau Hertzien est mise en service en Basse-Normandie entre deux Tours Hertziennes.

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Jusqu'en 1970, étant donné qu'aucun commutateur autre qu'analogique n'avait encore été inventé, il n'y avait pas le choix : il fallait en bout de liaison de transmission numérique tout reconvertir obligatoirement en signaux de conversations analogiques avant chaque entrée dans un commutateur.

Le numérique ne pouvait être affecté qu'à la transmission des conversations entre centres téléphoniques, ce qui était d'ailleurs l'objet de sa conception et de son exploitation au commencement...

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En 1970, une invention capitale va rapidement changer la donne : la naissance de la Commutation Numérique.

En effet, le 6 janvier 1970,  est mis en service réel pour la première fois dans le monde, en France, le premier commutateur entièrement numérique PLATON, commutateur capable de commuter les signaux numériques sans être obligé de les reconvertir en son sein en signaux basses fréquences analogiques.

Les choses commencent donc à bouger...

Et si, au lieu de convertir les signaux provenant des liaisons de transmissions numériques en signaux analogiques, nous multipliions les commutateurs entièrement électroniques, et que nous laissions les signaux numériques circuler librement sous forme numérique au travers d'un ensemble de commutateurs intégralement numériques ?

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Ce fut la solution retenue pour expérimentation dès 1971 : un petit groupe de commutateurs entièrement numériques, reliés ensembles par des liaisons entièrement numériques allait être rapidement déployé autour de la ville de Lannion. Cette région, où est implanté le CNET, est retenue en raison de sa faible densité de population, étant donné que les tous premiers commutateurs intégralement numériques avaient des capacités de raccordement assez réduites.

Au fur et à mesure de l'accroissement de la maîtrise, des perfectionnements, de la fiabilité et des capacités des commutateurs numériques, ils furent progressivement déployés un peu partout en tant que commutateurs d'abonnés et en tant que commutateurs de transit.

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Le grand écart : la transition du téléphone analogique vers le tout numérique.

Alors, évidemment, les deux grandes familles téléphoniques (Analogiques et Numériques), ont dû cohabiter pendant encore 30 années entre 1970 et 2000, car l'on ne pouvait pas d'un claquement de doigts changer en une nuit le Tout Analogique pour le Tout Numérique... 

Le réseau téléphonique français a ainsi cumulé simultanément jusqu'à la totalité des 6 grandes familles de commutateurs téléphoniques entre 1970 et 1979 (Rotatifs pas à pas à contrôle direct et indirect, Rotatifs à contrôle par impulsions inverses, Crossbar, Semi-électroniques et Numériques temporels de 1ère génération), combinées avec les deux familles de transmissions (Analogiques et Numériques). Nous pouvons dire que ce fut le grand écart, et que les convertisseurs analogique vers numérique et numérique vers analogique, installations très coûteuses et volumineuses florissaient partout, au fur et à mesure de la numérisation très progressive du réseau...

Très-progressivement, le réseau des transmissions fut donc numérisé jusqu'à l'être totalement en 1995 (l'Île-de France l'étant dès Avril 1993), ainsi que l'ensemble des commutateurs les plus anciens (à commutation analogique-spatiale) fut progressivement remplacé ;

  • - les systèmes à organes tournants éliminés du réseau en Juillet 1985.
  • - les systèmes électromécaniques crossbar éliminés du réseau téléphonique le 6 décembre 1994.
  • - les systèmes semi-électroniques spatiaux éliminés du réseau téléphonique le 27 novembre 2000.

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Détail de l'agenda de la numérisation du téléphone français.

  • Fin 1982 : 14,8% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 23,5%.
  • Fin 1983 : 21,7% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 28%.
  • Fin 1984 : 35% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 41%.
  • Fin 1985 : 44% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 48%.
  • Fin 1986 : 53% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 56%.
  • Fin 1987 : 55% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 65%.
  • Fin 1988 : 60,5% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 71%.
  • Fin 1989 : 70% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 74%.
  • Fin 1990 : 75% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 77,5 %.
  • Fin 1991 : 80% des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 86%. Les Transmissions Locales à plus de 99%.
  • Fin 1993 : 86,4 % des Commutateurs Téléphoniques sont de type Électroniques Temporels. Les Transmissions Interburbaines sont numérisées à 90,6%. Les Transmissions Locales à 100%.

Principe de la conversion des signaux analogiques en signaux numériques binaires :

Il s'agit de passer d'un état analogue à une grandeur physique (les ondes vibratoires vocales) à un état mathématique formé par un ensemble de nombres...

Pour parvenir à la conversion de signaux analogiques téléphoniques en signaux numériques téléphoniques, il est nécessaire de procéder à 3 premières étapes : l'échantillonnage, la quantification puis le codage binaire.


- Étape 1 : Échantillonnage. En téléphonie classique avec des téléphones basiques qui existent depuis l'invention du téléphone, les signaux analogiques vocaux (ainsi que les tonalités transmises) d'une conversation en cours entre deux abonnés sont tout d'abord échantillonnés à la fréquence de 8.000 Hz. (Un échantillon vocal est prélevé et mesuré toutes les 125 µs. Ceci signifie que l'on effectue 8.000 mesures de tension à chaque secondes.)

Un tel échantillonnage permet de pouvoir reconstituer à chaque extrémité de la chaîne de commutation et de transmission les conversations de manière fidèle jusqu'à une fréquence maximale audible de 4.000 Hz, limite suffisante pour reconstituer des conversations en cours qui soient compréhensibles.

L'échantillonnage est en fait une approximation d'un signal analogique dans le temps.

MicEchantillonage

Source : Documents Information Télécommunications. 01/1972.

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- Étape 2 : Quantification. Une fois les échantillons vocaux prélevés toutes les 125 µs, il est nécessaire de procéder à une seconde approximation : l'approximation en niveau de tension.

En effet, un signal analogique étant susceptible de prendre une infinité de valeurs entre une tension A et une tension B, cet aspect impose de réduire les valeurs de tensions possibles de ces échantillons en un nombre limité de valeurs-étalons.

La valeur de sortie de l'étage de quantification est la valeur-étalon de référence la plus proche de la valeur réelle de la tension d'échantillonnage d'entrée.

Il a été retenu, en norme téléphonique, que les niveaux de tensions échantillonnées seraient compris entre 256 niveaux de tensions différents (256 valeurs-étalons). (Chaque échantillon est donc systématiquement arrondi en une valeur numérique comprise entre une valeur comprise entre 0 et 255.)

Une telle quantification, même s'il ne s'agit pas de Haute-Fidélité telle que l'on pourrait la qualifier en acoustique, permet en norme téléphonique, le codage de suffisamment d'états d'amplitude possibles des signaux vocaux.

MicQuantification

Source : Documents Information Télécommunications. 01/1972.

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- Étape 3 : Codage. Puis ces échantillons vocaux, qui peuvent prendre 256 valeurs différentes sont convertis en numération binaire (en base 2) sur des mots d'une longueur de 8 bits.

À partir de là, les échantillons sont devenus des nombres exprimés en base 2, c'est à dire par un nombre au format de 8 chiffres, dont chaque chiffre peut prendre la valeur 0 ou 1.

Comme ces signaux codés sont échantillonnés à la fréquence de 8.000 Hz, sur un mot binaire de 8 bits, le débit équivalent en éléments binaires par secondes (e.b/s) sera de 8.000 Hz x8 bits = 64.000 bits/s.

Nota : Bit est l'abréviation de BInary digiT, qui constitue la plus petite quantité d'information possible par exemple «OUI» ou «NON» ; «0» ou «1».

En français, le Bit se traduit par Élément Binaire (e.b.)

MicCodage

Source : Documents Information Télécommunications. 01/1972.

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Il serait déjà avantageux de réaliser des transmissions sur de longues distances sous forme numérique, car l'intérêt premier serait de pouvoir amplifier de manière peut coûteuse la liaison numérisée, étant donnée que nous savons à l'avance qu'à un instant donné, la valeur théorique transportée est soit égale à 0, soit égale à 1.

Par contre, dans ce cas présent, nous ne pourrions transporter sur de longues distances qu'une seule voie téléphonique simultanément, ce qui finalement ne s'avérerait pas très avantageux...

Il faut donc trouver quelque chose de plus...

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Le Multiplexage Numérique.

Lorsque nous avons échantillonné à chaque instant T, toutes les 125µs, en fait, cet instant T a duré 3,90µs. (durée fixée par les normes téléphoniques : il faut l'instant le plus court possible, mais tout en gardant une durée suffisamment longue de sécurité, eu égard aux tolérances des composants électroniques, qui eux, sont bien réels, et ne sont pas des formules mathématiques parfaites...)

Donc, sur une liaison numérique, nous voyons qu'il y a un temps mort de 125µs - 3,90µs = 121,10µs.

Puisqu'il existe un si grand temps mort entre deux échantillons numériques vocaux, pourquoi ne pas y insérer d'autres échantillons vocaux émanant d'autres conversations téléphoniques ?

Ainsi nous pourrions transmettre sur une même liaison numérique 125µs/3,90µs = 32 conversations téléphoniques numérisées à la fois ! En fait, si la durée d'échantillonnage est de 3,90µs, nous avons 32 Intervalles de Temps disponibles (IT) pour faire circuler à la fois successivement et simultanément 32 conversations téléphoniques.

C'est ce que l'on appelle le Multiplexage Numérique : à partir d'une simple liaison numérique, nous pouvons acheminer simultanément 32 voies téléphoniques, de quoi faire disparaître la pénurie de capacités de voies de transmissions de conversations, en réutilisant les liaisons métalliques existantes, qui ne peuvent acheminer en basses fréquences qu'une seule conversation à la fois...

Le Multiplexage Numérique est en fait un système Multiplex à répartition dans le temps.

Le Multiplexage Numérique est réalisé dans une matrice de conversion dénommée Circuit M.I.C.


- Étape 4 : Multiplexage Numérique. Ces signaux numérisés sous forme de mots binaires de 8 bits, émanant d'une conversation en cours, avec un débit binaire de 64.000 bits/s, sont ensuite insérés dans une voie d'un Circuit MIC, et ce côte à côte avec d'autres signaux provenant d'autres conversations en cours. (jusqu'à 30 conversations téléphoniques simultanées peuvent circuler sur une même liaison MIC.)

Un Circuit MIC est équipé de 32 voies, car une Liaison MIC est "découpée" en 32 Intervalles de Temps de 3,90µs chacun.

Nota : pour chaque circuit MIC, seulement 30 voies sont en réalité réservées au transport des conversations téléphoniques, car 2 voies sont notamment affectées à la synchronisation et au contrôle d'erreur.

En effet, parmi les 32 voies, numérotées de 0 à 31, 

- la voie 0 est destinées à la synchronisation : qui doit permettre d'indiquer aux équipements de multiplexage (ou de démultiplexage) quel est le premier Intervalle de Temps parmi les 32 possibles,

- la voie 16 est destinée par convention à l'échange de signaux de signalisation (dialogues) entre équipements téléphoniques, pour permettre l'aiguillage des conversations, le contrôle d'erreurs etc...

Une fois multiplexés, les signaux des 30 voies de conversations téléphoniques sortent sur une Liaison M.I.C.

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MicMultiplexage

Source : Documents Information Télécommunications. 01/1972.

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En conclusion :

  • - Chaque liaison MIC à deux fils pourra donc transporter utilement, à pleine charge, sous forme de nombres binaires, 30 conversations téléphonique simultanément, pour un débit de 32x64 Kbits/s, soit 2,048 Mbits/s (ce que l'on nomme vulgairement le 2 Méga Bits).
  • - Dans le cas des liaisons MIC, qui sont des Multiplexages Numériques, les signaux transmis en logique à deux états (des suites de 0 et de 1) sont bien moins sensibles aux parasites ou à l'affaiblissement que les anciennes liaisons de transmission à Multiplexage Analogique, qui nécessitaient jadis de nombreuses stations de réamplification des signaux disposées à intervalles réguliers, nécessaires pour maintenir le niveau électrique des signaux de conversation suffisamment élevés par rapport au bruit général et aux parasites radio électriques.
  • - De plus, le risque de diaphonie (mélange) entre plusieurs conversations est quasiment inexistant, par rapport aux anciennes liaisons multiplexées analogiquement. (à moins que passagèrement, une liaison MIC se retrouve soit de manière transitoire due à une perturbation passagère, ou pour cause d'avarie d'un équipement, désynchronisée et que les échantillons numériques prélevés en sens inverse afin de reconstituer les signaux de conversations s'interpolent. Ce phénomène de mélange des Intervalles de temps est rarissime, mais il peut parfois se produire.)


Ci-dessous : 2 notices anciennes expliquant les bases de la Transmission Numérique.


Histoire des Télécommunications Françaises © Claude Rizzo-Vignaud, 13 mai 2017.

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