Codage en ligne

 

1.      Introduction

1.1.            Définition

Un code en ligne permet de coder des données numériques (séquence de bits) en un signal numérique adapté au support de transmission.

Figure 1 : Principe du codage en ligne

 1.2.            Niveaux de données et de signaux numériques

-          Les données numériques (séquence de bits) ont deux niveaux : 0 et 1.

-          Les signaux numériques ont, en fonction du codage utilisé, un nombre de niveaux supérieur ou égal à 2.

Exemple :

Figure 2 : Niveaux des données et des signaux numériques

2.      Les différents codes en ligne

2.1.            Paramètres importants

-          Composante continue : L’exemple précédent illustre un code qui génère un signal numérique à composante continue (valeur moyenne) non nulle. Cette composante est inutile car elle ne véhicule aucune information. Les codes en ligne doivent donc éliminer cette composante continue avant la transmission du signal numérique.

-          Auto-synchronisation : Afin d’interpréter correctement le signal reçu, le récepteur doit analyser le signal reçu à des intervalles réguliers correspondant aux durées des bits envoyées. Il est donc utile de transporter cette information avec le signal numérique.

Figure 3 : Erreurs dues à la perte de la synchronisation

 

2.2.            Classification des codes en ligne

Compte tenu des paramètres cités précédemment, différents codes en ligne ont été développés. Ils sont résumés dans le schéma suivant.

Figure 4 : Classification des codes en ligne

3.      Codage unipolaire

Le signal prend deux niveaux de tensions. Par exemple, une tension nulle pour coder le ‘0’ et une tension positive pour coder le ‘1’.

Figure 5 : Codage unipolaire

 

Avantage : Simple à implémenter.

Inconvénients :

-          Composante continue non nulle.

-          Pas de synchronisation pour les longues séquences de ‘1’ et de ‘0’.

4.      Codage polaire

Ce type de codage utilise deux niveaux de tension (un niveau positif et un niveau négatif) pour représenter les deux niveaux des données (0 et 1).

Avantage : Composante continue nulle.

Il y a plusieurs types de codage polaire tels que : NRZ, RZ, Manchester.

4.1.            Codage NRZ

Dans le codage NRZ (NonRetour à Zéro), chaque niveau de tension représente un niveau de donnée. Par exemple, la tension positive représente le ‘0’ et la tension négative représente le ‘1’. (voir figure 6)

Inconvénient : problème de synchronisation pour de longues séquences de ‘1’ et de ‘0’.

4.2.            Codage NRZ-I

Pour le codage NRZI (Non retour à zéro inversé),  le bit ‘1’ est représenté par une inversion du niveau de tension et le bit ‘0’ est représenté par l’absence d’inversion du niveau de tension.

Figure 6 : Codages NRZ et NRZ-I

 

Avantage : Résolution du problème de synchronisation pour de longues séries de ‘1’.

Inconvénient : Problème de synchronisation pour les longues séries de ’0’.

4.3.            Codage RZ

Le codage RZ (retour à zéro) est réalisé en forçant un retour à zéro au milieu de chaque intervalle de bit. Chaque bit est codé avec un niveau de tension (par exemple une tension négative pour ‘0’ et une tension positive pour ‘1’). (voir figure 6).

Avantage : Synchronisation parfaite.

Inconvénient : Le signal RZ change deux fois plus rapidement que le signal NRZ. Une bande passante plus importante est donc nécessaire pour la transmission indépendamment de la séquence binaire. 

Figure 7 : Codage RZ

 4.4.            Codage Manchester

Dans le codage Manchester, l’inversion au milieu de chaque bit est utilisée à la fois pour la synchronisation et pour le codage des données.

Une transition du niveau positif au niveau négatif est représentative d’un « 0 ».

Une transition du niveau négatif au niveau positif est représentative d’un « 1 ». 

Figure 8 : Codage Manchester

 

Avantages :

-          Synchronisation parfaite.

-          Acceptable pour des séquences avec alternances de « 1 » et de « 0 » : « 10101… »

Inconvénient : Gaspillage de bande passante pour les longues séquences de « 1 » ou les longues séquences de « 0 ».

Le codage Manchester est utilisé par la norme IEEE 802.3 (Ethernet).

4.5.            Codage Manchester différentiel

Pour le codage Manchester différentiel, la synchronisation est obtenue avec une inversion au milieu de chaque bit. Le codage des données est obtenu avec la transition au début du bit :

-          La présence d’une transition au début du bit indique qu’il s’agit d’un « 0 »

-          L’absence d’une transition indique au début du bit indique qu’il s’agit d’un « 1 ».

Figure 9 : Codage Manchester Différentiel

Avantages :

-          Synchronisation parfaite.

-          Acceptable pour les longues séquences de « 1 ».

Inconvénient : Gaspillage de bande passante pour les longues séquences de « 0 ».

Le codage Manchester Différentiel est utilisé par la norme IEEE 802.5 (Anneau à jeton).

5.      Codage bipolaire

Les codes bipolaires utilisent trois niveaux d’amplitudes différents pour coder les deux niveaux de données « 0 » et « 1 ».

5.1.            Code bipolaire simple ou code AMI

Le principe du code bipolaire simple ou code AMI (Alternate Mark Inversion) est le suivant :

-          Il associe au bit « 0 » une amplitude nulle.

-          Il associe au bit « 1 » alternativement une amplitude positive +A, puis une amplitude négative -A. 

Figure 10 : Code bipolaire simple (AMI)

 

Avantage : La bande passante requise avec le code AMI est inférieure à celle avec le code Manchester quel que  soit la séquence de bits.

Inconvénient : Perte de synchronisation pour les longues séquences de « 0 ».

5.2.            Code bipolaire à haute densité (HDB3)

Le principe de base du code HDB3 (High Density Bipolar) est le même que pour le codage bipolaire simple AMI, mais pour éviter une trop longue série de 0, on applique les quatre règles suivantes :

-          Une suite de plus de trois « 0 » est interdite. Le 4^ème « 0 » est remplacé avec un « 1 » dit bit de violation « V ».

-          Le bit de violation doit être de polarité identique à celle du dernier bit non nul.

-          Deux bits de violation successifs doivent être de polarités opposées.

-          Si le nombre de « 1 » entre deux bits de violations successifs est pair, alors on introduit un bit de bourrage « B » de sorte que la forme transmise soit B00V. Le bit de bourrage a la même polarité que le bit de violation qui le succède. Si le nombre de « 1 » entre deux bits de violations successifs est impair, alors on n’introduit pas de bourrage et la forme transmise est 000V. 

Figure 11 : Code HDB3

 

Avantage : évite les pertes de synchronisation.

Le code HDB3 est utilisé dans les lignes téléphoniques  à la norme MIC30.

6.      Codage multi-niveaux

Dans les codes multi-niveaux, on fait correspondre aux données un signal à plusieurs niveaux.

Exemple : Code 2B1Q

Le code 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) fait correspondre à chaque 2 bits 1 signal quaternaire (4 niveaux) comme le montre l’exemple suivant. 

Figure 12 : Code 2B1Q

 

Ainsi les données sont transmises à un débit deux fois supérieur à celui du codage NRZ.

Le code 2B1Q est utilisé entre autres en téléphonie numérique dans le réseau RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Services).

 

7.      Codes en blocks (nBmB)

Le principe des codes en blocks est de remplacer une suite de n bits par une suite de m bits avec m > n. Le schéma de la figure 13 illustre ce principe.

Les bits additionnels sont ajoutés afin d’assurer la synchronisation et la détection des erreurs de transmission. Par exemple, on peut remplacer n bits de données par m bits choisis de telle sorte qu’il n’y ait pas plus de trois « 0 » ou « 1 » consécutifs.

L’inconvénient de ce type de codage est la complexité de l’opération de codage et de décodage.

Figure 13 : Principe du codage en blocks

Exemple : Code 4B5B

Chaque block de 4 bits est remplacé par un block de 5 bits. Les 5 nouveaux bits sont choisis pour être adapté à un codage NRZI. C'est-à-dire que les longues séquences de « 1 » acceptées.

Les 5 bits sont choisis de sorte qu’ils ne contiennent pas plus de un « 0 » au début et pas plus de deux « 0 » à la fin. De cette sorte, lors de la transmission, on ne reçoit pas plus de deux « 0 » consécutifs.

Le tableau suivant donne la correspondance entre les blocs à 4 bits et les blocs à 5 bits.

Figure 14 : Code 4B/5B

Le code 4B/5B est utilisé dans le système de transmission par fibre optique FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

8.      Limitation de la transmission en bande de base

La transmission en bande de base (transcodage sans changement de la fréquence des signaux) est une technique simple à mettre en œuvre, mais elle est limitée par la bande passante du canal de communication et par le rapport signal sur bruit de celui-ci.

8.1.            Critère de Nyquist

8.1.1.      Notions de rapidité de modulation

Une ligne ou canal de transmission se comporte comme un filtre passe-bas, les différentes composantes sont atténuées (distorsion d’amplitude) et retardées (distorsion de phase). L’une des conséquences les plus visibles est l’étalement du signal. Dans des conditions limites, cet étalement a pour conséquence que la fin d’une impulsion transmise se confonde avec le début de la suivante. Les circuits électroniques ne peuvent, alors, distinguer deux impulsions successives, il y a interférence de symboles (figure 15).

Figure 15 : L’étalement du signal ne permet plus la récupération d’horloge

 

Le nombre maximal d’impulsions que peut transmettre un système, par unité de temps, est, au plus égal au nombre d’alternances du signal (alternance positive pour un « 1 », alternance négative pour le « 0 », par exemple). Soit R_max le nombre maximal d’impulsions et BP la bande passante du canal de transmission, ils sont liés par la relation :

R_max est appelée rapidité de modulation. La rapidité de modulation, grandeur analogue à une fréquence, s’exprime en baud et représente le nombre d’instants élémentaires du signal par unité de temps. Larapidité de modulation est aussi appelée vitesse de signalisation sur le support.

8.1.2.      Rapidité de modulation et débit binaire

Imaginons que, durant un temps élémentaire, le symbole prenne plusieurs états (figure 16), la quantité d’information transportée alors par un symbole est supérieure à 1 bit.

Débit binaire et rapidité de modulation sont liés par la relation :

V est la valence du signal. C’est le nombre d’états significatifs différents que peut prendre le signal. Pour des états codés sur n bits, on a :

Ainsi, il est possible d’augmenter le débit binaire d’une transmission en agissant sur :

-          la bande passante du canal ;

-          et/ou la valence du signal transporté.

La bande passante est limitée par le système de transmission (support...) et on ne peut augmenter indéfiniment le nombre d’états du signal (valence), car les niveaux d’amplitude à discriminer deviennent si faibles qu’ils ne peuvent être distingués du bruit (figure 16).

Figure 16 : Limitation du nombre d’états par le bruit

 

8.2.            Transmission en milieu bruyant / Relation de Shannon

Reprenant les travaux de Nyquist, Claude Shannon a montré, qu’en milieu perturbé, le nombre maximal d’états discernables ou valence est donné par la relation :

La capacité maximale de transmission d’un canal est alors de :

9.      Conclusion

La bande passante ou encore la rapidité de modulation et le rapport signal sur bruit limitentles possibilités de transmission en bande de base. La transmission bande de base occupe latotalité de la bande passante du canal interdisant l’utilisation des techniques de multiplexage. Les techniques dites « bande de base » restent utilisées sur des liaisons spécialisées privées,les liaisons louées par les opérateurs aux entreprises pour se constituer des réseaux privés, lesliaisons d’accès aux réseaux des opérateurs et les réseaux locaux d’entreprise.