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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 limage 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 dune 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. Lune des voies audio ou les deux peuvent aussi être utilisées pour la diffusion transparente de données. Le codage du son est identique à celui dune 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 dune manière compatible, dautres possibilités.
Principe de fonctionnementLe 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 » dinformation (à ne pas confondre avec les trames vidéo), il faut ensuite ajouter des informations de synchronisation, de correction derreurs et des informations numériques qui ne contiennent pas dinformation 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 démission 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. 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. Figure 3 - Synoptique du codeur NICAM
Pour comprendre le fonctionnement du codeur NICAM nous allons détailler les différentes parties de son synoptique Figure 3.
Système de codage et de compression
Filtre passe bas à 15 KHz Pour numériser un signal audio il faut déterminer une fréquence déchantillonnage. Cette fréquence déchantillonnage doit être supérieure à deux fois la fréquence maximum que lon veut numériser. Le Théorème de Shannon met en évidence cette limite par lénoncé: 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 léchantillonnage provoque une multiplication des composantes spectrales. Pour être certain de bien saffranchir du phénomène daliasing, il faut filtrer le signal à échantillonner de telle sorte quil présente une coupure nette à lextrémité de sa bande passante, doù la nécessité dun filtre passe-bas à pente raide: filtre intitulé ANTI-ALIASING.
Figure 4 - Représentations spectrales pour Féch > 2 Fmax et Féch < 2 Fmax
Pour le NICAM, la fréquence déchantillonnage a été déterminé à 32 KHz ce qui nous donne une bande passante de 15 KHz.
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 laide dune paire de convertisseurs Analogique / Numérique qui travaillent à une fréquence déchantillonnage 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 lémission sous forme numérique de ces 2 canaux, il va falloir effectuer une compression de données sévère. Figure 5 - Principe de la conversion Analogique / Numérique
La succession déchantillons damplitudes 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 dun codage de conversion Analogique / Numérique avec Offset, cest 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 sagit 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. Figure 6 - Principe du " complément à 2 "
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 déchelle. Lopération 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 lamplitude du plus grand échantillon du bloc; un code de facteur déchelle est créé pour indiquer au récepteur le niveau de compression. La Figure 7 illustre le codage des signaux audio comprimés. Figure 7 - Codage des signaux audio comprimés
Caractéristiques physiologique de loreille: Sa rémanence est telle quelle ne lui permet pas de distinguer le passage dun son faible à un son fort en moins dune milli-seconde ( la durée 1 trame ), on peut transmettre un facteur déchelle constant. Le facteur déchelle retenu pour transmettre toute la trame est celui qui a la plus grande valeur parmi les 32 facteurs déchelle instantanés dune trame. Facteur déchelle: Pour des signaux de faible amplitude, les n premiers bits sont identiques ( plus lamplitude est faible, plus n est grand ). Si le récepteur sait de combien lamplitude est faible, les n-1 premiers bits peuvent être omis sans perte dinformation, et peuvent être récupérés ensuite en copiant le premier bit n-1 fois. Le nombre de bits omis est indiqué par le facteur déchelle R2, R1 et R0. Donc le facteur déchelle 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 lerreur 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 déchelle pour chaque mot. Les facteurs déchelle 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, lamplitude absolue la plus grande. Elle sert à définir le facteur déchelle nécessaire. Ce facteur déchelle représente le facteur de réduction de tout le bloc. Donc les 32 mots dun bloc sont réduits de la même façon.
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 déchelle, qui est également nécessaire dans le récepteur pour la reconstitution de données, doit être transmis sans quaucune erreur nintervienne; sinon lamplitude de tout un bloc sera mal interprétée. Donc ce code est hautement protégé. Mais pour éviter une augmentation du débit, ce facteur est transmis dune autre façon. Il est encodé dans les bits de parité.
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 dun en-tête, dune 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, lun portant linformation de la voie Gauche et lautre 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 lun après lautre. En premier, léchantillon 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 linformation sonore tandis que la trame paire contient des données numériques. Le décodeur reçois différentes organisations de blocs et doit savoir les reconstruire. Cest le rôle de len-tête qui précède les blocs. Figure 8 - Structure d'une trame de 728 bits a) Son stéréophonique - b) Son monophonique
Mot d'alignement de trame et de données supplémmentaires ( FAW et AD ) Le FAW : Frame Alignment Word ( 8 bits ) Le FAW indique au récepteur quune trame commerce, cest en quelque sorte le top de synchronisation. Il signale aussi que 2 nouveaux blocs avec 2 nouveaux facteurs déchelle sont en réception. Donc le FAW joue le rôle didentification. 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 quaucun signal NICAM nest transmis. Donc il supprimera le signal de sortie. LAD : 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.
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 dapplication, 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 didentifier les trames paires et impaires. La 1ère trame qui a C0 à 1 est une trame impaire. Le changement détat de C0a aussi une autre signification. Létat 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 dun mode non transmis. b) 3 Bits de commande dapplication Les 704 derniers bits de chacune des trames peuvent être utilisés pour acheminer soit des échantillons audio, soit des données. Lapplication actuelle de ces bits est définie par 3 bits de commande dapplication C0, C1et C2comme lindique la Figure 9. Lorsquon 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 lapplication 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 nest 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 dinterdire 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 lorsquon diffuse deux signaux monophoniques numériques M1 et M2 ). Lorsque le signal AM ou FM nachemine 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. Figure 9 - Applications des blocs Son / Données
Lentrelacement des Données Avant dêtre 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 linformation 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 lexception des bits 1 à 24, les bits suivent lopération inverse; remplissage de la matrice ligne par ligne puis lecture colonne par colonne. Figure 10 - Principe de l'entracement
Brassage pour dispersion dénergie Le train de bits diffusé est brassé pour la mise en forme du spectre, ce qui permet déviter de provoquer des interférences dans le canal lui même et peut être dans le canal adjacent conduisant à des perturbations de limage 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 dalignement de trame. Donc il ne faut pas que le mot dalignement 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 dinitialisation suivants: Polynôme générateur: X9 + X4 + 1 Mot dinitialisation: 111111111 Figure 11 - Générateur de séquence pseudo-aléatoire pour le brassage destiné a la dispersion d'énergie
Modulateur QPSK Avant dêtre 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 dinterférences 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 dhorloge est divisée par 2 donc la bande passante nécessaire est diminuée dautant. Sans cela, le système NICAM ne pourrait pas sinsérer dans un canal TV existant. Linconvénient est une plus grande sensibilité aux interférences. Les dibits sont modulés de façon différentielle. Cela signifie que la valeur dun dibit ne correspond pas à létat 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 lémission et pour la réception car aucune référence de phase de la porteuse ne doit être transmise.
Figure 12 - Codage de changements de phase pour la diffusion
Figure 13 - Exemple de modulation
Le décodeur NICAMMaintenant 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 lintermédiaire dun 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:
Actuellement, il est impossible dintervenir 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. Figure 14- Synoptique du décodeur NICAM
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La dernière mise à jour de ce site date du 06 avril 2004