Jean-François FOURCADIER
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Montpellier  (France)

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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:

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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:

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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 !).

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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.

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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 !

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(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:

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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:

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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 !

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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 .....

 

B5+ et 73 de Jean-François Fourcadier, F4DAY

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