modem expérimental
2 Mbit/s (partie réception)
Le
présent article fait suite à l'ensemble
d'articles "projet
de transmission de données à haut débit"
disponible sur ce site. Nous décrivons ici la partie
réception des données.
Le
modem est un dispositif que l'on branche sur la prise
Péritel d'un simple démodulateur satellite
bon marché, et qui fournit en retour un signal
NRZ à 2 Mbit/s, accompagé de son horloge.
De plus ce modem fournit au fil de l'eau un signal représentatif
du nombre d'erreurs de transmission.
Une interface avec le monde extérieur (port USB
?) sera implantée ultérieurement.
Structure du modem
Après
le filtre de Nyquist réception et une amplification
vidéo, un simple comparateur rapide distingue les
"0" et les "1" du signal biphase reçu.
La récupération du rythme se fait en redressant
les deux alternances du signal reçu -ce qui fait
apparaître une raie à deux fois la fréquence
d'horloge-, en amplifiant le signal dans un amplificateur
sélectif réglé sur 4096 kHz, puis
en injectant ce dernier signal dans une boucle à
verrouillage de phase pour obtenir l'horloge reconstituée.
Enfin une logique transforme le signal biphase en signal
NRZ, et met en évidence les violations à
la régle de construction du code biphase pour détecter
d'éventuelles erreurs de transmission.
Schémas
La
partie analogique:
(cliquer pour agrandir)
Le
premier transistor BC546B monté en collecteur commun
isole le filtre de Nyquist et garantit l'impédance
sur l'accès. Le rôle et le comportement du
filtre de Nyquist
ont déjà été décrits.
Les trois transistors suivants constituent un amplificateur
vidéo chargé d'amener le signal au niveau
convenable pour attaquer le comparateur rapide LM360 et
le redresseur double alternance. Ce dernier est composé
d'un transistor monté en émetteur commun
de gain 2 et polarisé de manière à
n'amplifier et inverser que l'alternance positive. Une
sommation avec le signal incident est réalisée
dans un potentiomètre qui permet d'ajuster la symétrie
du signal. Le signal redressé, qui comporte une
forte composante à 4096 kHz, attaque un amplificateur
sélectif équipé d'un transistor BF240
et d'un circuit LC. Une prise capacitive permet d'obtenir
un niveau d'attaque convenable du circuit intégré
PLL 74HC4046. A noter la cellule CR constituée
d'un condensateur de 15 pF et d'une résistance
de 2,7 kohms qui procure une avance de phase de 45°
au signal à 4096 kHz avant d'attaquer le circuit
PLL. Cette cellule est indispensable pour obtenir un échantillonnage
correct, à l'instant précis du maximum d'ouverture
de l'oeil. Avec les valeurs données, la plage de
capture mesurée est de plus et moins 100 kHz autour
de la fréquence centrale, ce qui est suffisant
pour assurer dans tous les cas un verrouillage efficace,
et ce malgré les instabilités possibles
de la fréquence propre du VCO.
La
partie logique:
Elle
assure la conversion biphase NRZ et met en évidence
les erreurs de transmission.
La bascule D U3A contrôlé par l'horloge à
4096 kHz régénère le signal biphase.
Une division par deux de la fréquence d'horloge
à 4096 kHz par la bascule U4A permet de retrouver
l'horloge à 2048 kHz d'origine. Enfin, les circuits
U4B, U9A, U7D,U6A, U9B et U3B transforment le signal biphase
en signal NRZ. Le fonctionnement est le suivant: Grâce
au registre à décalage U4B, le OU exclusif
U9A fournit un un logique à chaque transition du
signal biphase, laquelle se produit obligatoirement au
milieu du bit transmis. L'apparition périodique
de ce niveau logique assure une mise à la phase
correcte du diviseur de fréquence par deux, U6A.
Il suffit ensuite d'effectuer un produit à l'aide
du OU exclusif U9B pour trouver le signal NRZ binaire
transmis. U3B régénère alors le signal
pour une forme parfaite.
La détection d'erreurs de transmission fait appel
à un dispositif bien connu des spécialistes
et très simple de mise en oeuvre. Les signaux codés
en biphase ont la
propriété d'avoir toujours une transition
au milieu du symbole binaire transmis. Toute entorse à
cette régle absolue de construction s'appelle une
"violation de code biphase". Il n'y a bien sûr
pas de violation de code biphase à l'émission.
Toute violation de code biphase à la réception
témoigne donc d'une erreur de transmission. Leur
mise en évidence est simple. A la réception,
le signal biphase transite dans un registre à décalage
constitué des trois bascules D U4B, U5A et U5B.
Toute succession de trois zéros ou de trois uns
est révélatrice d'une absence de transition
et donc d'une violation de code biphase. C'est le rôle
des portes NAND à trois entrées U8A et U8B
de les détecter. On peut ainsi obtenir très
facilement une appréciation de la qualité
du signal transmis en connectant un compteur à
la sortie de U7B.
NB: Il serait ultérieurement intéressant
de donner une allure logarithmique au rythme des erreurs
et disposer sur le modem un bargraph témoin de
la qualité de transmission......
Réalisation
Les
composants utilisés sont tout à fait banals
et largement disponibles dans le commerce de détail.
S'agissant d'un prototype, aucun circuit imprimé
n'a été réalisé pour l'instant.
Une "plaque à trous" sert de support.
L'ensemble est compact, de la place reste dans le coffret
pour loger ultérieurement l'interface avec le monde
extérieur. Une attention particulière sera
apportée aux découplages et aux alimentations.
Le montage fait appel à des composants "nerveux"
et les règles habituelles des circuits RF seront
observées (de nombreux condensateurs céramiques
et multicouches ne sont pas visibles sur les photos car
ils sont soudés directement sur les pattes des
CI au verso de la carte !).
(cliquer pour agrandir)
Réglages
On
régle tout d'abord le potentiomètre de 2,2
kohms pour obtenir un signal de fréquence égale
exactement à 4096 kHz sur la broche 4 du circuit
74HC4046.
Un signal "vidéo", en fait un signal
binaire à 2,048 Mbit/s codé biphase et d'amplitude
1 V crête à crête, est ensuite injecté
à l'entrée du modem. Il est issu du générateur
pseudo-aléatoire précédemment
décrit.
Le
potentiomètre de 1 kohm de réglage de niveau
est réglé pour obtenir 1,5 V crête
à crête au point A. Les réglages de
symétrie et d'égalisation sont ajustés
pour obtenir un signal redressé bien symétrique
sur la base du transistor BF240. L'inductance de 18 µH
est réglée pour un maximum de signal sinusoïdal
à 4096 kHz sur la broche 14 du circuit 74HC4046.
La boucle de verrouillage de phase se verrouille ainsi
sans problème et assure une gigue de phase très
faible à l'horloge reconstituée.
On vérifiera que l'échantillonnage
est bien effectué au maximum d'ouverture de l'oeil.
Ceci correspond bien entendu à un front montant
du signal d'horloge situé exactement au milieu
du symbole disponible en sortie du comparateur LM360.
Au besoin on pourra retoucher TRES légèrement
le réglage d'égalisation et/ou le noyau
du circuit oscillant pour obtenir ce résultat.
Attention, lors du réglage les deux sondes de l'oscilloscope
devront être identiques et avoir en particulier
la même longueur de câble !
(en haut le signal d'horloge à 4096
kHz, en bas le signal issu du comparateur, pour un réglage
correct)
Essais sur l'air
Après
les réglages décrits plus haut, le fonctionnement
en local est parfait. Le relais ATV F5ZGN du mont Aigoual
(Gard) qui est situé à 50 km de ma station
est alors mis à contribution (un grand merci au
passage aux OM nîmois F5AD, F1FCO et F6BES).
Mon émetteur
ATV "twist" - fréquence 2320 MHz,
puissance 600 mW, antenne parabolique de 80 cm de diamètre
- est modulé en FM par le signal biphase issu du
générateur
pseudo-aléatoire. Ce signal est reçu
par le relais, puis retransmis sur 1255 MHz dans
toute la région, comme si c'était de la
télévision d'amateur.
Après
deux bonds de 50 km, deux émetteurs et deux récepteurs
traversés, le signal revient passablement déformé
à son point de départ, avec quelques problèmes
de linéarité et de réponse amplitude-fréquence.
Le signal disponible sur la prise Péritel du récepteur
satellite a la forme suivante:
Ce type de comportement de nos installations
n'est pas très bon non plus pour de la télévision
et est relativement facile à corriger. Il faudra
que nous y travaillions. Mais il n'y a pas d'urgence,
dans le cas de notre transmission numérique l'oeil
reste encore bien ouvert, la modulation est robuste, le
comparateur rapide trie les zéros et les uns, et
la PLL du modem s'accroche vigoureusement sur le signal
reçu !
A gauche le code NRZ reçu, à droite le compteur
connecté sur la sortie détection d'erreurs
reste figé sur zéro:
Et sur un téléviseur ATV classique,
que voit-on pendant cette transmission numérique
à 2 Mbit/s ? Une sorte de bruit granuleux, incapable
de synchroniser le téléviseur. Mais ce n'est
pas parceque l'on ne voit pas d'image, qu'il n'y a pas
une quantité importante d'information qui est diffusée
!
Et ensuite ?
On
peut dire aujourd'hui que le concept est validé.
Il se caractérise par sa simplicité de mise
en oeuvre, son efficacité sur l'air, et par le
recours à des matériels de télévision
d'amateur fiables dont la technologie est bien connue.
Les
tâches qui sont à réaliser sont les
suivantes :
-
améliorer encore la partie modem, en passant
peut être en code biphase différentiel
pour éviter d'avoir à spécifier
le sens de la modulation,
- réaliser
des circuits imprimés,
- construire une véritable petite interface
matérielle et logicielle pour PC, l'idéal
étant de pouvoir introduire et extraire les
données par un port USB,
- enfin, travailler sur la régénération
des signaux numériques dans les relais, de
manière à éviter les effets
cumulatifs du bruit. C'est un des gros avantages
de la transmission numérique que de pouvoir
recréer dans chaque relais des signaux quasi-parfaits
à partir de signaux déformés
ou bruités.
Il
pourrait être amusant d'expérimenter l'ensemble
sur plus de deux bonds ATV, en transitant par exemple
par le relais ATV du Signal de Lure (Alpes de Haute Provence),
et en empruntant les faisceaux ATV 10 GHz de la région.
Des portées de plus de 200 km sont certainement
possibles, et cela est vérifiable rapidement. On
pourrait alors imaginer des essais de transmission à
2 Mbit/s entre Montpellier, Nîmes et Marseille,
pour de simples essais techniques dans un premier temps,
puis ensuite plus sérieusement pour échanger
de la voix, des images fixes, des fichiers ou de la vidéo
compressée ?
à
suivre .....
