Liaisons et transmission de l'information

Lorsque des systèmes numériques échangent des données, il est important que les informations transmises ne soient pas perdues ou altérées.

Des protocoles de communication ont été développés et standardisés pour assurer un transfert de données optimal.

Les caractéristiques principales d'une transmission de données sont :

• le sens des flux de données
• le nombre de bits envoyés simultanément qui représente le débit
• le type de synchronisation entre émetteur et récepteur

1 - Sens du flux de données

Il existe 3 types de données :

Liaison simplex : liaison unidirectionnelle de l'émetteur vers le récepteur. Les données circulent dans un seul sens. 

Exemple : liaison entre une tour de PC et un écran ou une souris

Liaison half duplex : liaison bidirectionnelle, les données peuvent circuler dans les deux sens mais pas simultanément. Chaque appareil devient à son tour émetteur puis récepteur.

Exemple : talkies/walkies

Liaison duplex : liaison bidirectionnelle, chaque appareil dispose d'une ligne d'émission et de réception. La transmission d'information peut être simultanée. Chaque appareil est émetteur et récepteur.

Exemple : liaison téléphonique

2 - Débit et rapidité de transmission

Deux unités permettent de qualifier la rapidité des échanges :

• Bauds : nombre de modulations par seconde, c'est le nombre de fois où le signal change par seconde. 
• Bits/sec : nombre de bits transmis par secondes.

La vitesse de transfert effective est calculée sur les données, ce qui implique que les bits de start, de stop pour une communication asynchrone et les bots de synchronisation pour une communication synchrone ne sont pas pris en compte.

Si on code plusieurs bits dans un seul changement d'amplitude ou de phase du signal, les taux de transfert en bit/s deviennent supérieurs à la fréquence de modulation, donc au débit exprimé en bauds.

Il ne faut pas confondre le baud avec le bit par seconde car il est souvent possible de transmettre plusieurs bits par symbole. Cependant, dans le cas ou le signal n’est pas modulé : la vitesse de modulation = la vitesse de transmission, on dit que l’on est en « bande de base ».

3 - Liaison parallèle

Schéma de principe :

MSB : Most Significant Bit (bit de poids fort)

LSB : Less Signifiant Bit (bit de poids faible)

Des fils mis côte à côte, généralement 8, 16, 32 ou même 64, transmettent simultanément autant de bits qu'il y a de conducteurs. L'intérêt de ce type de communication est que le débit des données est multiplié par le nombre de fils mis côte à côte. Ce type de transmission a longtemps été considéré comme plus rapide que les transmissions de type série.

Application :

    Port de l'imprimante (DB25 femelle)

    Nappe IDE pour la connexion des disques

    Bus PCI et AGP pour les cartes d'extension

    Bus système (FSB) entre le processeur et le pont nord

Limitations :

Des interférences dues à des phénomènes d'induction électromagnétique apparaissent entre les conducteurs électriques mis côte à côte. Ce problème de diaphonie (cross-talk) devient gênant pour les fréquences élevées ou sur les lignes trop longues. 

La transmission parallèle de données se limite à quelques mètres.

4 - Liaison série

Schéma de principe :

Conducteur unique ou boucle de courant

La liaison est en principe faite par un conducteur unique. C'est par exemple le cas des ports COM des PC un peu anciens. C'est aussi le cas des ports PS/2 du PC destinés au clavier et à la souris. Certaines transmissions par ondes électromagnétiques, les liaisons infrarouges ou les liaisons par fibre optique peuvent aussi être considérées comme des liaisons série sur un seul conducteur.

Les techniques de transmissions série les plus récentes, USB, SATA et PCI express, ainsi que les câbles réseau à paires torsadées utilisent deux conducteurs (boucle de courant) pour transmettre simultanément les mêmes informations par des signaux symétriques. Cela évite les interférences électromagnétiques mais le principe de la transmission série reste le même qu'avec une liaison par un seul conducteur.

Sérialisation

Les informations à envoyer sont transmises bit par bit sur l’unique ligne de transmission. Au lieu d'être envoyés simultanément sur 8 fils parallèles, les 8 bits de l'octet à envoyer sont "sérialisés" par un registre à décalage (shift register) et envoyés les uns à la suite des autres sur un seul conducteur.

Le récepteur reçoit les 8 bits qui se succèdent dans un autre registre où ils sont remis côte à côte ("dé-sérialisés") pour reformer l'octet d'origine.

Vitesse de transmission

Les vitesses de transmission et de réception doivent être identiques. Ces vitesses sont exprimées en bits par secondes mais aussi parfois en bauds.

Modes simplex, half-duplex et full-duplex

Les communications sur un conducteur peuvent n'être à un moment donné que unidirectionnelles (mode simplex). Mais il est possible aussi de se servir du même conducteur pour alternativement émettre puis pour recevoir, c'est ce qu'on appelle le half duplex. On parle de mode full duplex quand il y a des transmissions simultanées dans les deux sens. Ce n'est possible qu'avec deux conducteurs, l'un pour l'émission, l'autre pour la réception.

Protocole

Il faut que l'émetteur et le récepteur utilisent le même protocole.

Ce protocole définit :

•    La vitesse de transmission
•    Les signaux qui annoncent le début de la communication
•    Les signaux qui en marquent la fin
•    Des informations de contrôle pour vérifier la validité du message reçu

Synchronisation

Le récepteur doit savoir à quelle fréquence l'émetteur envoie les bits sur la ligne de transmission. Sans cela, il est impossible d'interpréter les signaux reçus. La figure suivante illustre le cas de l'envoi du code 11001100. S'il ne savait à quelle cadence les bits sont émis, le récepteur pourrait très bien lire deux fois trop lentement et conclure que le code reçu est 1010. C'est une des raisons pour laquelle les lectures sont cadencées par un signal d'horloge.

La figure ci-dessus montre un signal où les données doivent être lues quand le signal d'horloge (clock) est au niveau haut. Certains systèmes considèrent que les données sont valides en fonction du niveau haut ou bas du signal d'horloge (level-triggered). D'autres systèmes utilisent le front montant ou descendant du signal d'horloge (edge-triggered). Dans la figure suivante le signal est validé par le front montant du signal d'horloge.

Ce signal d'horloge généré par l'émetteur est parfois transmis au récepteur par un conducteur qui accompagne la ligne des données. C'est le cas de la communication synchrone. Lorsqu’il est impossible d’ajouter cette ligne pour le signal d’horloge, le récepteur doit générer ce signal lui-même. Le fait de générer une fréquence identique à celle de l'horloge de l'émetteur n'est pas trop difficile à réaliser, le plus dur est d'obtenir un signal parfaitement synchronisé avec l'horloge de l'émetteur. Il faut donc que le récepteur sache exactement à quel instant ce signal d'horloge démarre. C'est la raison d'être du bit de départ (start bit) dans la communication asynchrone.

Liaison série asynchrone

Chronogramme d'une transmission asynchrone :

Le signal d'horloge a besoin d'un fil dédié à cette fonction, cela n'est pas toujours réalisable. La communication asynchrone peut se passer de ce signal. Un oscillateur interne au récepteur peut générer son propre signal d'horloge qu'il synchronise sur l'émetteur au moment du signal de début de transmission. 

• bit de start : marque le début du message et permet au récepteur de synchroniser son oscillateur interne qui sera l'horloge qui lui indiquera à quels moments les bits successifs pourront être lus. 
• bits de données : ils sont employés aprés le bit de start. Dans le chronogramme précédent, la donnée est codée sur 7 bots.
• bit de parité :il permet de détecter une erreur de transmission dans les donneés. il dépend de deux paramètres :
• le choix de la parité (paire ou impaire)
• le nombre de bots à 1 à trasnsmettre 
• Exemples : 
• parité paire : on doit avoir un nombre pair de bits à 1
• parité impaire : on doit avoir un nombre impaire de bits à 1. 
• bit de stop : un, un et demi ou deux bits d'arrêt (stop bit) vont marquer la fin du message envoyé.

Exemple de parité :

Application :

La transmission asynchrone convient si les données ne sont pas présentes en permanence. Les bits qui encadrent le message à transmettre réduisent la capacité de transmission. Cette liaison était celui des ports COM des anciens PC (RS232) connecteurs DB9 mâles (ou DB25 mâle sur les PC encore plus anciens).

Liaison série synchrone

Chronogramme d'une transmission synchrone :

Deux fils véhiculent l'information : 

• Le premier est affecté au signal de synchronisation (horloge ou clock) pour cadencer les transmissions.
• Le second câble est affecté au transport de données

Le flux de données peut dès lors être ininterrompu sans séparation entre les données envoyées. il n'y a pas besoin de bit de start ou de stop.

On retrouve ce type de communication dans les ports PS/2 pour le raccordement du clavier et de la souris avant que les connexions USB ou sans fil ne leur vole la vedette. 

5 - Liaison RS232

La liaison RS232 correspond à une norme électrique (des niveaux de tension sont définis) et matériel (le brochage est normalisé).

Niveaux de tension correspondant aux états logiques 0 et 1.

La liaison se fait avec trois fils, Rx ( Réception) Tx (Transmission) et la masse.

Le fil Rx de l'émetteur doit être relié au fil Tx du récepteur et inversement, c'est une liaison croisée.

Un port logique "0" est caractérisé par une tension +3V à+25V et un niveau logique "1" est caractérisé par une tension de -3V à -25V.

Typiquement, les niveaux +12V et -12V sont utilisés.

Cette liaison était utilisée dans les PC (ports COM ou port série) avant d'être supplantée par les ports USB.

Le débit maximal est de 115 000 bits/s mais la vitesse de transmission dépend aussi de la distance entre émetteur et récepteur.

6 . Perte de puissance d'un signal

La perte de puissance est donnée par la formule suivante :

avec

alpha = coefficient d'atténuation en dB.m-1

L : la longueur de la liaison en mètre

Pe : puissance d'entrée

Ps : puissance de sortie

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