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Propriétés du système

 

Les propriétés du système sont les suivantes:

Il est suffisamment robuste pour garantir une défaillance de la réception de l’image avant celle du son numérique dans des conditions de réception difficiles

Il respecte le critère de compatibilité avec les services et les récepteurs existants en cas de diffusion par voie hertzienne ou de distribution par câble.

Il permet la diffusion de deux voies audio de haute qualité et d’une petite quantité de données supplémentaires. Les deux voies audio peuvent être utilisées pour diffuser deux signaux monophoniques indépendants qui peuvent être reçus simultanément, ou un signal stéréophonique unique. L’une des voies audio ou les deux peuvent aussi être utilisées pour la diffusion transparente de données.

Le codage du son est identique à celui d’une des options de la famille de systèmes MAC/paquets.

Le codage en bande de base et la structure des trames numériques sont identiques pour tous les systèmes de télévision considérés.

Les spécifications offrent certaines perspectives pour incorporer ultérieurement, et d’une manière compatible, d’autres possibilités.

 

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Principe de fonctionnement

Le principe du NICAM se rapproche de celui du Compact Disc Audio, on va travailler un peu de la même manière.

Il faut numériser le son pour constituer des « trames » d’information (à ne pas confondre avec les trames vidéo), il faut ensuite ajouter des informations de synchronisation, de correction d’erreurs et des informations numériques qui ne contiennent pas d’information directement liée au son.

Ensuite, ces informations numériques sont codées pour pouvoir les transmettre, mais pour avoir une bonne transmission, il faudra respecter certains critères technologiques et ne pas perturber les systèmes d’émission par voie hertzienne ou câblé.

Pour cela on va insérer une porteuse H.F. modulée QPSK qui ne perturbera pas les porteuses Audio (AM ou FM) et Vidéo.

Norme L

Figure 2 - Représentatoin d'un canal TV au Norme LL'

 

Lors de la réception, il faut démoduler le son analogique et le son numérique en même temps pour sélectionner le meilleur des deux.

Codeur NICAM

Figure 3 - Synoptique du codeur NICAM

 

Pour comprendre le fonctionnement du codeur NICAM nous allons détailler les différentes parties de son synoptique Figure 3.

 

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Système de codage et de compression

 

Filtre

Filtre passe bas à 15 KHz

Pour numériser un signal audio il faut déterminer une fréquence d’échantillonnage. Cette fréquence d’échantillonnage doit être supérieure à deux fois la fréquence maximum que l’on veut numériser.

Le Théorème de Shannon met en évidence cette limite par l’énoncé:

Féchantillonnage > 2 Fmax

avec Fmax la fréquence la plus haute du signal à échantillonner.

Si Féch. est trop bas on entraîne un battement Féch.- Fmax. appelé aliasing ou recoupement des spectres, car l’échantillonnage provoque une multiplication des composantes spectrales.

Pour être certain de bien s’affranchir du phénomène d’aliasing, il faut filtrer le signal à échantillonner de telle sorte qu’il présente une coupure nette à l’extrémité de sa bande passante, d’où la nécessité d’un filtre passe-bas à pente raide: filtre intitulé ANTI-ALIASING.

Féch > 2 Fmax

 

Féch < 2 Fmax

Figure 4 - Représentations spectrales pour Féch > 2 Fmax et Féch < 2 Fmax

 

Pour le NICAM, la fréquence d’échantillonnage a été déterminé à 32 KHz ce qui nous donne une bande passante de 15 KHz.

 

Convertisseur A/N

Convertisseur Analogique / Numérique

Cette opération consiste à déterminer une valeur numérique composée de « 0 » et « 1 » à une valeur analogique.

Une fois le filtrage effectué, on procède à une préaccentuation analogique ou numérique. Ensuite les signaux audio sont numérisés à l’aide d’une paire de convertisseurs Analogique / Numérique qui travaillent à une fréquence d’échantillonnage de 32 KHz. La taille des échantillons numériques codés en PCM par complément à 2 est de 14 bits, ce qui nous détermine 16 384 niveaux différents

Comme la largeur de bande disponible sur le canal de transmission est bien trop étroite pour permettre l’émission sous forme numérique de ces 2 canaux, il va falloir effectuer une compression de données sévère.

Principe de conversion

Figure 5 - Principe de la conversion Analogique / Numérique

 

La succession d’échantillons d’amplitudes prélevés sur le signal analogique à des instants réguliers et suffisamment rapprochés permet de décrire ce signal point par point.

Nous venons de voir le principe d’un codage de conversion Analogique / Numérique avec Offset, c’est à dire avec la valeur numérique 0000 pris sur la tension la plus négative du signal audio à convertir. ( Figure 6 )

Pour le NICAM, il s’agit de la méthode de codage du « complément à 2 » et on peut constater que le chiffre de gauche ( bit de poids le plus fort MSB ) est toujours 0 quand le signal audio est positif et 1 pour le signal audio négatif.

Complément à 2

Figure 6 - Principe du " complément à 2 "

 

Compression

Compression Quasi - instantanée

Les signaux audio sont échantillonnés à 32 KHz et codés initialement avec une finesse de 14 bits par échantillon. Pour la diffusion, on réduit le nombre de bits par échantillon à 10 en utilisant une compression quasi - instantanée et en ajoutant un bit de parité à chacun des mots de 10 bits pour la détection des erreurs et la signalisation du facteur d’échelle.

L’opération de compression quasi - instantanée réorganise les échantillons numériques de 14 bits correspondant à chacun des signaux audio sous la forme de bloc de 32. Tous les échantillons dans chacun des blocs de 1 ms sont alors codés en utilisant un code à 10 bits en complément à 2 avec une précision déterminée par l’amplitude du plus grand échantillon du bloc; un code de facteur d’échelle est créé pour indiquer au récepteur le niveau de compression. La Figure 7 illustre le codage des signaux audio comprimés.

Codage des signaux

Figure 7 - Codage des signaux audio comprimés

 

Caractéristiques physiologique de l’oreille:

Sa rémanence est telle qu’elle ne lui permet pas de distinguer le passage d’un son faible à un son fort en moins d’une milli-seconde ( la durée 1 trame ), on peut transmettre un facteur d’échelle constant. Le facteur d’échelle retenu pour transmettre toute la trame est celui qui a la plus grande valeur parmi les 32 facteurs d’échelle instantanés d’une trame.

Facteur d’échelle:

Pour des signaux de faible amplitude, les n premiers bits sont identiques ( plus l’amplitude est faible, plus n est grand ). Si le récepteur sait de combien l’amplitude est faible, les n-1 premiers bits peuvent être omis sans perte d’information, et peuvent être récupérés ensuite en copiant le premier bit n-1 fois. Le nombre de bits omis est indiqué par le facteur d’échelle R2, R1 et R0. Donc le facteur d’échelle doit être également transmis.

Avec des amplitudes fortes, les bits de poids faible ne sont pas significatifs du fait du masquage. Les bits de poids faible omis ne feront pas défaut dans le récepteur tant que l’erreur résultant de cette omission est de 60 dB ou plus en dessous du niveau du signal.

Si on applique ce procédé à chaque mot, il faut aussi transmettre un facteur d’échelle pour chaque mot. Les facteurs d’échelle possibles sont donnés dans la partie droite de la Figure 7 ( R2 R1 R0 ). Le résultat de ceci ne mène pas à une réduction notable du débit binaire. Par conséquent, on détermine pour chaque bloc, l’amplitude absolue la plus grande. Elle sert à définir le facteur d’échelle nécessaire. Ce facteur d’échelle représente le facteur de réduction de tout le bloc. Donc les 32 mots d’un bloc sont réduits de la même façon.

 

Encodage

Protection des signaux audio contre les erreurs

Un bit de parité est ajouté à chacun des échantillons audio de 10 bits pour rechercher les erreurs dans les 6 bits de poids fort ( MSB ). Une parité paire est générée:

Parité = Bit 9 + Bit 8 + Bit 7 + Bit 6 + Bit 5 + Bit 4

Parité est la parité du ième mot

+ est une fonction logique « OU exclusif »

Le facteur d’échelle, qui est également nécessaire dans le récepteur pour la reconstitution de données, doit être transmis sans qu’aucune erreur n’intervienne; sinon l’amplitude de tout un bloc sera mal interprétée. Donc ce code est hautement protégé. Mais pour éviter une augmentation du débit, ce facteur est transmis d’une autre façon. Il est encodé dans les bits de parité.

 

Multiplexage

Le Multiplexage

Une fois que les 2 canaux ont été réduits en mots de 11 bits, les signaux sont multiplexés pour obtenir un train de bits série. Le format du train de données pour un signal stéréo est représenté Figure 8a. La Figure 8b représente celui de signaux bi-son et mono

Ceci fait apparaître une nouvelle structure appelée TRAME. Une trame est constituée d’un en-tête, d’une partie identification et de 2 groupes de 32 mots réduits. Donc une trame contient un total de 64 mots réduits de 11 bits chacun.

Pour une transmission stéréophonique, une trame est constituée de 2 blocs, l’un portant l’information de la voie Gauche et l’autre celle de la voie Droite

Si les mots étaient numérotés, la trame suivrait le modèle:

Gauche 1 Droite 1 Gauche 2 Droite 2 ...........Gauche 32 Droite 32

Les mots qui sont échantillonnés simultanément dans les convertisseurs Analogique / Numérique sont mis l’un après l’autre. En premier, l’échantillon de la voie gauche puis celui de la voie droite.

Cependant pour un signal Bi-langage, on procède différemment. 32 mots de langage A sont échantillonnés et réduits, et la même chose pour le langage B. Puis pour les 2 langages, un second bloc est généré de la même façon. Une fois les 2 blocs construits, la trame impaire est chargée avec 2 blocs du langage A et la trame paire avec 2 blocs du langage B.

Pour une transmission monophonique, chaque trame impaire porte l’information sonore tandis que la trame paire contient des données numériques.

Le décodeur reçois différentes organisations de blocs et doit savoir les reconstruire. C’est le rôle de l’en-tête qui précède les blocs.

Trame numérique

Figure 8 - Structure d'une trame de 728 bits

a) Son stéréophonique - b) Son monophonique

 

Faw

Mot d'alignement de trame et de données supplémmentaires ( FAW et AD )

Le FAW : Frame Alignment Word ( 8 bits )

Le FAW indique au récepteur qu’une trame commerce, c’est en quelque sorte le top de synchronisation. Il signale aussi que 2 nouveaux blocs avec 2 nouveaux facteurs d’échelle sont en réception. Donc le FAW joue le rôle d’identification. De plus, le récepteur peut dire selon le contenu du FAW quel est le signal reçu.

En pratique le FAW a la valeur 01001110. Si le décodeur ne trouve pas ce code aux moments fixés par la structure de la trame, alors il conclura qu’aucun signal NICAM n’est transmis. Donc il supprimera le signal de sortie.

L’AD : Additionnal Data ( 11 bits )

Les 11 bits de données supplémentaires dénommés AD0 à AD10 sont réservés pour des applications futures qui ne sont pas encore définies.

 

Bits de contrôle

Informations de commande ( Control Bit ou CB 5 bits )

Les informations de commande sont acheminées par 1 bit de drapeau de trame C0, 3 bits de commande d’application, C1, C2 et C3, plus 1 bit de drapeau de commutation du son de secours C4

a) 1 Bit de drapeau de trame

Le bit C0 est mis à 1 durant 8 trames successives puis à 0 durant les 8 trames suivantes. Une séquence de 16 trames est ainsi créée qui permet d’identifier les trames paires et impaires.

La 1ère trame qui a C0 à 1 est une trame impaire.

Le changement d’état de C0a aussi une autre signification. L’état du signal transmis ne peut changer que lors du passage de C0de 0 à 1. Dans les 16 trames qui suivent cette transition, aucun des bits C1, C2, C3 ou C4 ne doit changer. Ceci fournit une bonne protection contre les erreurs de transmission dans les bits de contrôle, évitant la reproduction d’un mode non transmis.

b) 3 Bits de commande d’application

Les 704 derniers bits de chacune des trames peuvent être utilisés pour acheminer soit des échantillons audio, soit des données. L’application actuelle de ces bits est définie par 3 bits de commande d’application C0, C1et C2comme l’indique la Figure 9.

Lorsqu’on doit passer à une nouvelle application, ces bits de commande se modifient pour définir celle-ci dans la trame 1 de la dernière séquence de 16 trames de l’application en cours. Les blocs Son / Données de 704 bits se modifient pour la nouvelle application à partir de la trame 1 de la séquence de 16 trames qui suit.

c) 1 Bit de drapeau de commutation audio de secours

Le décodeur audio numérique peut être organisé de manière à appliquer, à la sortie, le signal produit par un démodulateur AM ou FM classique pour remplacer le son décodé à partir du signal numérique en cas de défaillance de ce dernier. Le passage sur le démodulateur AM ou FM n’est évidemment acceptable que si la porteuse AM ou FM est modulée par le même programme audio que le signal numérique défaillant. Les informations de commande donnent le moyen d’interdire une telle commutation.

Un 5ème bit de commande C4 est forcé à 1 lorsque le signal AM ou FM achemine le même programme audio monophonique ou stéréophonique la voie numérique (signal monophonique M1 uniquement lorsqu’on diffuse deux signaux monophoniques numériques M1 et M2 ). Lorsque le signal AM ou FM n’achemine pas le même programme audio que la voie numérique, le bit de drapeau de commutation est mis à 0. Dans cet état, il peut être utilisé pour interdire le passage sur le son AM ou FM.

Application

Figure 9 - Applications des blocs Son / Données

 

Entrelacement

L’entrelacement des Données

Avant d’être modulé, le train de bits série est soumis à un entrelacement qui apporte une sécurité supplémentaire de manière à éviter des erreurs sur plusieurs bits successifs.

Les bits qui contiennent réellement l’information sonore dans une trame ( bits 25 à 728 inclus ) sont présentés à une matrice 44 X 16. Cette matrice est remplie colonne par colonne de gauche à droite. Quand la matrice est pleine, après une trame, elle est lue ligne par ligne de haut en bas.

Dans le récepteur, à l’exception des bits 1 à 24, les bits suivent l’opération inverse; remplissage de la matrice ligne par ligne puis lecture colonne par colonne.

Entrelacement

Figure 10 - Principe de l'entracement

 

Brassage

Brassage pour dispersion d’énergie

Le train de bits diffusé est brassé pour la mise en forme du spectre, ce qui permet d’éviter de provoquer des interférences dans le canal lui même et peut être dans le canal adjacent conduisant à des perturbations de l’image qui se traduit par du moirage.

Pour effectuer ce brassage, on utilise un générateur de séquence pseudo-aléatoire qui sera synchronisé au décodage par le mot d’alignement de trame.

Donc il ne faut pas que le mot d’alignement de trame soit brassé si on veut pouvoir décoder le signal à la réception.

Pour un décodage correct, le récepteur est équipé du même générateur pseudo-aléatoire, qui délivre la même séquence et qui démarre au même moment. La séquence pseudo-aléatoire est définie par le polynôme générateur et le mot d’initialisation suivants:

Polynôme générateur: X9 + X4 + 1

Mot d’initialisation: 111111111

Générateur

Figure 11 - Générateur de séquence pseudo-aléatoire pour le brassage destiné a la dispersion d'énergie

 

Modulateur

Modulateur QPSK

Avant d’être transmis le signal doit être modulé sur une porteuse. La fréquence de cette porteuse est:

système I - 6,552 MHz

système BG et L - 5,850 MHz

Ces fréquences sont choisies pour limiter le risque d’interférences dans les systèmes concernés

Le type de modulation est la modulation QPSK Différentielle, modulation à 4 états de phase distincts. Pour déterminer ces 4 états, 2 variables sont nécessaires. Pour cela le signal digital série est divisé en entités de 2 bits, autrement appelées dibits. En transmettant des dibits au lieu de bits, le fréquence d’horloge est divisée par 2 donc la bande passante nécessaire est diminuée d’autant. Sans cela, le système NICAM ne pourrait pas s’insérer dans un canal TV existant. L’inconvénient est une plus grande sensibilité aux interférences.

Les dibits sont modulés de façon différentielle. Cela signifie que la valeur d’un dibit ne correspond pas à l’état de la phase ( Ø ) de la porteuse, mais au changement de phase ( DeltaØ ) de celle-ci. Dans un récepteur, les dibits sont reconstruits en déterminant les sauts de phase. Ceci est à la fois plus facile pour l’émission et pour la réception car aucune référence de phase de la porteuse ne doit être transmise.

Codage

Figure 12 - Codage de changements de phase pour la diffusion

 

Modulation

Figure 13 - Exemple de modulation

 

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Le décodeur NICAM

Maintenant que nous avons vu le codage des informations audio, il est facile de comprendre le décodage. Il suffira simplement de faire le traitement dans le sens inverse.

Le récepteur NICAM

La porteuse NICAM est récupérée de la même manière que les porteuses AM FM audio. Cette porteuse sera récupérée en inter-carrier par l’intermédiaire d’un filtre sélectif à 5,85 MHz ou 6,552 MHz en fonction des normes utilisées. Il faudra aussi récupérer les porteuses audio AM FM car il ne faut pas oublier que le décodeur NICAM peut commuter les voies audio analogique.

Une fois la porteuse NICAM sélectionnée, le signal devra transiter par le démodulateur QPSK pour reconstituer les trames du signal numérique; trame constituée de 728 bits.

Ensuite, le signal numérique pourra être décodé par le circuit de traitement NICAM qui effectuera les fonctions suivantes:
bulletDétection du mot d’alignement de trame ( FAW ).
bulletGénération de la séquence speudo - aléatoire à partir du FAW pour rétablir l’ordre des bits avant le brassage.
bulletExtraction des bits de contrôle C0 à C4 pour connaître la constitution des blocs Son / Données.
bulletDécodage des bits de données supplémentaires AD0 à AD10
bulletDésentrelacement des 704 bits de données par trame.
bulletExtraction des bits de parité et du mot de facteur d’échelle pour la décompression des données numériques.
bulletDécompression des données de 10 bits vers 14 bits.
bulletFiltrage et désaccentuation digital.
bulletConversion Numérique / Analogique.
bulletCommutations des voies audio analogique ou numérique.

Actuellement, il est impossible d’intervenir dans le traitement du NICAM, car le décodage est effectué par un ou deux circuits spécialisés. Donc en cas de problèmes, il faut vérifier les alimentations, les commandes de resets les horloges, les bus de communications et si les commandes extérieures sont correctes, il faut envisager de remplacer le circuit.

Décodeur NICAM

Figure 14- Synoptique du décodeur NICAM

 

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La dernière mise à jour de ce site date du 06 avril 2004