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Denis Prêtre, dernière révision : 19/09/2004 1 Codage en bande de base (ou coda

Denis Prêtre, dernière révision : 19/09/2004 1 Codage en bande de base (ou codage par modes) Références: Cours de Claude Brielmann http://www.uqtr.ca/~bensaber/GPA785/cours3B.pdf 1 Introduction Les informations d'une source numérique sont codées à plusieurs niveaux conformément au modèle OSI. Le codage par modes fait partie du niveau physique (couche 1). Il consiste à faire correspondre une forme de signal électrique ou optique à un ou plusieurs éléments binaires de la source. Les raisons de coder l'information par modes sont : • De produire un signal sans composante continue qui puisse être transmis sur les lignes avec séparation galvanique: lignes d'abonnés, ligne du réseau local, etc. • D'enrichir le signal en transitions pour faciliter la récupération d'horloge dans les régénérateurs. Les longues suites de 0 ou de 1 doivent donc être codées pour éviter des états durables sans transitions. • De concentrer ou de déplacer la puissance dans une plage spectrale adaptée au milieu de transmission. Même sans composante continue, un signal NRZ a une densité spectrale de puissance concentrée sur f=0, plage qui n'est pas transmise convenablement dans certains canaux (forte distorsion). Le codage par modes est aussi appelé codage de ligne puisqu'il consiste à adapter la forme du signal à la ligne ou plus généralement au milieu de propagation. 2 Transmission en bande de base La transmission en bande de base consiste à transmettre directement des signaux numériques sur un support (bande passante limitée, distorsions, etc.) de longueur en principe limitée. Cette opération est réalisée par un codeur. Le codeur transforme une suite de bits {ai} en une suite de symboles {dk} pris dans un alphabet de q symboles. Les dk ont en principe tous la même durée. La transmission en bande de base est simple et peu coûteuse; elle est largement répandue dans les réseaux locaux. Si on veut multiplexer plusieurs signaux fréquentiellement, il faut passer à la modulation, plus compliquée à réaliser. Certains signaux, comme le RDS, sont codés en bande de base avant d'être modulés en AM, puis en FM… Codage en bande de base HE-Arc, ingénierie 2 2.1 Emission et réception Le schéma de principe à l'émission est illustré par la Figure 1. Données Horloge Codeur Ampli ligne Signal émis Figure 1 Le schéma de principe à la réception est illustré par la Figure 2. Amplificat. Egalisation Récupérat. d'horloge Seuils Décodeur Signal reçu Horloge Données Figure 2 2.2 Brouillage Dans certains cas on évite les longues suites de 0 ou de 1 en brouillant le signal. Cette opération consiste à additionner modulo 2 (porte EX-OR) les données binaires émises et reçues par la même séquence binaire pseudo-aléatoire (voir Figure 3). Registre à décalage Emission Source resp. Réception resp. Destination Figure 3 La synchronisation des séquences pseudo-aléatoire se fait par corrélation des données brouillées avec des séquences décalées. Le maximum de la corrélation indique la bonne synchronisation. Codage en bande de base HE-Arc, ingénierie 3 3 Principaux modes à deux états 3.1 Mode NRZ (Non Return to Zero) C'est le mode le plus simple. On a la correspondance suivante : "0" → −A "1" → A Un exemple de signal NRZ est illustré par la Figure 4. t v(t) "1" "0" "0" "1" "0" "1" "1" 1/Tm f Gv(f) Tm Figure 4 3.1.1 Caractéristiques Comp. continue Elle n'est nulle que si les états −A et +A sont équirépartis. Bande passante B ≈ 1/Tm dsp La densité spectrale de puissance d'un signal NRZ est centrée en f=0. Ce mode est donc mal adapté au milieu qui ne passe pas les basses fréquences et le continu. On a (états −A et +A équirépartis) : ( ) f T c sin T A ) f ( G m 2 m 2 v ⋅ ⋅ ⋅ = (V2/Hz) (1) Récup. d'horloge La récupération d'horloge par un PLL n'est pas garantie, puisque ce mode n'évite pas les longues suites sans transitions. Pour remédier à ce problème, il faut soit brouiller les données, soit être sûr que les bits transmis sont bien "brassés". Repérage des fils Nécessaire. 3.1.2 Utilisation Les signaux transmis selon les normes V24, RS232, RS421, RS422, RS485 utilisent le mode NRZ. 3.2 Mode NRZI avec “bit stuffing” (NRZ Inverted with bit stuffing) C’est le mode du bus USB. Le bus commence en ‘idle state’ (état haut à +A). Chaque fois qu’un bit est "1", il n'y a pas de changement de l'état de la ligne. Chaque fois qu'un bit est "0", la ligne change d'état (toggle). Lorsque six "1" consécutifs sont transmis, un "0" artificiel est inséré afin de garantir la récupération d'horloge. Codage en bande de base HE-Arc, ingénierie 4 3.2.1 Exemple Soient –A et +A les états respectifs bas et haut de la ligne. voici comment serait codé le message binaire suivant : 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 +A +A +A +A –A –A +A –A –A –A –A –A –A –A +A +A –A –A stuff. 3.3 Mode biphase, ou diphasé, ou Manchester On a la correspondance suivante : "0" → Tm "1" → Tm Un exemple de codage Manchester est illustré par la Figure 5. t v(t) "1" "0" "0" "1" "0" "1" "1" 1/Tm f Gv(f) Tm 2/Tm Figure 5 Comp. continue Nulle. Bande passante B ≈ 2/Tm dsp La densité spectrale de puissance d'un signal Manchester est centrée en f=1/Tm. Ce mode est donc bien adapté à un milieu qui ne passe pas les basses fréquences et le continu, au prix d'une bande passante doublée par rapport au codage NRZ. On a (états −A et +A équirépartis) :       ⋅ π ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ = 2 T f sin f 2 T c sin T A ) f ( G 2 2 2 V (V2/Hz) (2) Récup. d'horloge Aucun problème, puisque ce mode garantit au moins une transition par moment Tm. Repérage des fils Nécessaire. 3.3.1 Utilisation • Ethernet sur câble coaxial (tous les 10base-T). • Profibus, transmission MBP. Codage en bande de base HE-Arc, ingénierie 5 3.4 Mode Manchester différentiel En se basant sur le codage Manchester, on crée la correspondance suivante : "0" → v(t) = v(t−Tm) l'état précédent est répété "1" → v(t) = −v(t−Tm) l'état précédent est inversé L'avantage du différentiel est qu'il n'est pas nécessaire de repérer les fils; on peut les croiser sans autres. 3.4.1 Utilisation • Token ring. • Codage du signal RDS (Radio Data System). Le signal numérique biphase module ensuite la sous-porteuse à 57 KHz. 3.5 Mode de Miller Ce mode est obtenu à partir du mode biphase. Les transitions positives de celui-ci font basculer le flip-flop. Ce mode est illustré par la Figure 6. t v(t) "1" "0" "0" "1" "0" "1" "1" 1/Tm f Gv(f) Tm 2/Tm Figure 6 Décodage Une transition au milieu d’un intervalle Tm signifie qu'on a l'état 1. Sinon on a zéro. Comp. continue Nulle. Bande passante B ≈ 1/Tm mais ne s'annule pas en 1/Tm ! dsp Le spectre de puissance est plus étroit mais ne s'annule pas en f=0. Il permet de transmettre, à largeur de bande égale, environ deux fois plus vite qu'en mode biphase. Récup. d'horloge Aucun problème. Repérage des fils Pas nécessaire. 3.6 Code CMI (Coded Mark Inversion – avis G.703) On a la correspondance suivante : "0" → −A ou +A alternativement "1" → Tm Codage en bande de base HE-Arc, ingénierie 6 Ce mode est illustré par la Figure 7. t v(t) "1" "0" "0" "1" "0" "1" "1" 1/Tm f Gv(f) Tm 2/Tm Figure 7 Comp. continue Nulle. Bande passante B ≈ 2/Tm dsp La densité de puissance s'étend jusqu'à 1,8/T avec un maximum à 0,4/T. Elle contient en plus, des raies à 1/T et 3/T qui facilitent la récupération d'horloge. Récup. d'horloge Aucun problème. Repérage des fils Nécessaire. 3.6.1 Utilisation Le mode CMI se rencontre sur les multiplex pour lignes coaxiales et fibres optiques. Sur fibres l'état +A correspond à un flux donné et l'état 0 à un flux nul. La composante continue ainsi produite n'est pas gênante. 4 Principaux modes à trois états Les signaux à 3 états ou plus ont une densité spectrale de puissance plus ramassée que les signaux à trois états. Leur sensibilité au bruit (et donc aux erreurs de transmission) est cependant bien plus grande. 4.1 Mode bipolaire simple ou mode AMI (Alternate Mark Inversion) Comme sa désignation anglophone le précise (Alternate Mark Inversion), on alterne les impulsions. On a la correspondance suivante : "0" → 0 V "1" → −A et +A alternativement Un exemple de codage AMI est illustré par la Figure 8. t v(t) "1" "0" "0" "1" "0" "1" "1" 1/Tm f Gv(f) Tm A −A Figure 8 Codage en bande de base HE-Arc, ingénierie 7 Comp. continue Nulle. Bande passante B ≈ 1/Tm dsp La puissance est bien concentrée entre 0 et 0,8/T. La composante continue est annulée par le principe d'inversion. On a (états logiques "0" et "1" équirépartis) : ) f T ( sin uploads/S4/ codage-en-bande-de-base.pdf