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Transmission Sérielle
Synchrone
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Avant : Transmission sérielle Asynchrone
Suite : Boucle à vérrouillage de phase

Situons-nous


Dans le présent chapitre nous étudions la transmission sérielle synchrone.

Nous avons vu que la transmission d'un signal numérique peut se faire sur les deux modes suivants :

  • le mode parallèle : p. ex. les 8 bits d'un octet (D0...D7) peuvent être envoyés simultanément sur autant de lignes de transmission, une pour chaque bit (L0...L7), sous formes de tensions binaires représentant les niveaux 0 ou 1.

    C'est un mode simple mais qui n'est intéressant qu'à très courte distance. c.f.

  • le mode sériel : les bits d'un octet sont envoyés les uns après les autres sous forme de tensions binaires représentant les niveaux 0 ou 1 sur une ligne unique.

    La transmission sérielle pouvait être envisagée sous deux modes :

    • le mode asynchrone : un signal de synchronisation est envoyé au début de chaque octet. Voir l'étude faite en :

    • le mode synchrone, c'est celui que nous allons voir ici.

Transmission sérielle

Dans ce type de transmission les bits sont transmis les uns après les autres sur une seule ligne...

( N.B. Une ligne comporte en fait deux conducteurs.
C'est la tension électrique entre ces deux conducteurs qui représente ici les éléments binaires 0 ou 1.
Mais d'autres grandeurs électriques peuvent être utilisées dans le même but. Voir la suite. )

Mais le récepteur est dans l'incapacité de distinguer les bits s'il ne connaît pas le temps que dure un bit.


Que va comprendre le récepteur recevant le signal rectangulaire ci-dessus ?
101 ? - ou -11 0011 ? - ou - 111000111?

La solution consiste à indiquer, d'une manière ou d'une autre, au récepteur la fréquence (ou la période)
des tops horloge
du transmetteur qui ont cadencé la sérialisation des bits transmis.

On désigne souvent cette action par l'expression simplificatrice : "transmettre l'horloge".


Transmission de l'horloge
On pense souvent à la solution suivante : envoyer les tops horloge par une voie supplémentaire.
En fait on envoie un signal carré dont les transitions montantes et descendantes constituent les tops d'horloge.


Solution problématique sur des longues distances : pourquoi ?

  • Signalons d'abord que nous nous étions fixé comme but de n'utiliser qu'une seule ligne de transmission.
    Le prix et le taux d'occupation des lignes commerciales rendrait peu rentable l'usage d'une seconde ligne dédiée au signal.
    Et pourquoi payer plus cher si on peut faire aussi bien avec une seule ligne ?

  • De surcroît, la théorie et l'expérience montrent que les délais de transmission sont fonction
    des bandes passantes, donc des caractéristiques électriques et/ou géométriques des lignes.

    Un même signal appliqué à leurs entrées pourrait donner des signaux de sortie notablement déphasés si leur longueur est grande.

Il faut donc à tout prix trouver une autre solution
pour indiquer avec précision au récepteur la période (ou la fréquence)
de l'horloge qui a généré le signal binaire !


SYNCHRONISATION
Voyons précisément comment le transmetteur
construit le signal en ligne.


La fig. ci-dessous montre quel que soit le bit transmis, le tranmetteur maintient en ligne un niveau (1 ou 0)
pendant un temps T égal pour tous les bits.
T est appelé période d'horloge.
Il correspond à une fréquence F=1/T qu'on appelle la fréquence d'horloge.



J'ai représenté les tops du signal d'horloge du transmetteur par des flèches descendantes.

Observez que les transitions 1 vers 0 ou 0 vers 1 du signal en ligne coïncident avec des tops horaires.
Observez également que le signal binaire ne présente aucune transition
lors d'une suite de niveux identiques 00 ou 11 par exemple.

Voyons maintenant comment le récepteur peut décoder ce signal

Le récepteur doit comporter:

  • Un dispositif pour mesurer à tout instant le niveau variable de la ligne.

  • Une horloge propre dont la fréquence (ou la période) soit égale à celle du transmetteur.
    On dit que l'horloge locale du récepteur doit être isochrone de celle du transmetteur.

  • Un dispositif lui permettant de repérer les transitions du signal en ligne
    et de s'y synchroniser (c.à.d. de redémarrer instantanément l'horloge locale aux moments précis des transitions lorsqu'elles existent).
    Je rappelle que le transmetteur génère ces transitions à chaque changement de niveau binaire.

Alors, le mécanisme qui semble le plus sûr consiste à faire tester la ligne
à chaque demi-période d'horloge après chaque transition réelle ou supposée.


"Supposée" s'applique aux suites de bits identiques pour lesquelles le transmetteur ne génère aucune transition.
Et auxquels cas il doit "se fier" à son horloge interne !


Ainsi, en "tapant" au centre du créneau, le dispositif de test du récepteur
s'assure de ne pas évaluer par erreur le niveau antérieur ou postérieur de la ligne.


Mais...
nous avons supposé que l'horloge de récepteur
avait exactement la même période que celle du transmetteur.
(Horloges isochrones)


La perfection n'étant pas de ce monde,
voyons ce qui peut advenir si l'horloge du récepteur n'a pas tout à fait la même fréquence que celle du transmetteur.
Horloges dites plésiochrones. Du grec plesio (presque) et (chronos) le temps.

Phrase que l'on traduit souvent abusivement par "Les horloges ne sont pas synchrones".

Nous supposons que le récepteur comporte un dispositif
se synchronisant automatiquement sur les transitions du signal en ligne.
(c.à.d. redémarrant un cycle d'horloge locale au moment précis d'une transition du signal)
(ce dispositif est aisément réalisable).

La fréquence du récepteur étant supposée proche de celle de l'émetteur,
il n'y a aucune crainte à avoir pour l'évaluation du premier bit après la transition.

Mais si le signal présente une longue suite de niveaux identiques ?
111111...111 ou 000000...00 par exemple.
? ? ?

Cas d'horloges imparfaitement isochrones
Les créneaux en noir de la figure ci-dessous représentent un signal binaire en ligne
comportant une suite de 5 états au niveau binaire 1.

Le récepteur parvient à se synchroniser sur les transitions du signal tant qu'il y en a.

Bien que la fréquence de l'horloge du récepteur soit plus lente que celle du transmetteur.
donc sa période plus grande,
le décalage du test du niveau de ligne à mi-période horloge récepteur est minime sur une seule période.
(voir cercle rouge de gauche sur la figure ci-dessus)
Le test donne malgré tout les bons résultats pour les premiers 1 0.



Mais les choses se gâtent lorsque cinq niveaux "1" de suite apparaissent.
Les retards s'ajoutent et cumulent.
On peut les "voir" en vert entre flèches rouges dans la figure ci-dessus.

Il arrive un moment, où le test est réalisé trop tard (cercle rouge de droite)
Les nombres 0 et 1 en rouge ne sont pas conformes à la séquence envoyée.
101111101
#
10111101?


La désynchronisation progressive des tops de l'horloge locale a provoqué une erreur de décodage.



Et si le circuit récepteur ne disposait pas du dispositif de synchronisationà chaque transition
ce serait encore pire !

Alors...comment faire ?


Peut-on construire une horloge locale ayant exactement une fréquence donnée ?

Il existe bien des horloges très sophistiquées (horloges atomiques)
destinées à des applications telles que le GPS ou les signaux horaires radiodiffusés ,
mais leur utilisation dans les systèmes de transmission de données numériques
serait actuellement à la fois trop onéreuse et excessivement contraignante.

Les horloges dont on dispose en électronique classique (p. ex.quartz, même stabilisés)
dérivent de façon minime mais inacceptable au bout de quelques instants seulement.
Cette dérive frappe tout aussi bien l'horloge du récepteur comme celle du transmetteur.
Elles dérivent forcément toutes deux, et pas forcément dans le même sens !

 

Il faut impérativement trouver autre chose !


Les solutions


Deux techniques très différentes, mais souvent mises en oeuvre conjointement,
permettent au récepteur de retrouver l'isochronisme avec l'horloge du transmetteur.

  • L'une purement physique : dite "boucle de verrouillage de phase" (Phase Lockec Loop PLL)
  • L'autre purement logique : un codage particulier de l'information.

Nous les étudierons successivement :.

La boucle de verrouillage de phase (suite logique du cours)
Les codages autoporteurs d'horloge

 


    
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