Initiation aux Modes Digitaux

Traduction et adaptation par Pascal BIMAS F1ULT du chapitre sur les modes digitaux du dossier EUREKA de ZL1BPU.

 

La télégraphie (impliquant le Code Morse) et la téléphonie (en Modulation d’Amplitude) furent les deux premiers modes radioamateur. Avec les progrès de l’électronique et le développement de l’informatique, les modes de transmission radio peuvent maintenant être classés en trois catégories, à savoir les modes vocaux, les modes de transmissions de données analogiques pour les images et les modes de transmissions de données digitaux pour les données. Nous allons juste nous intéresser aux techniques employées habituellement pour cette dernière catégorie.

 

Qu’est-ce qu’un Mode Digital?

Du point de vue d’un Radioamateur, un mode digital qualifié aussi de numérique est un mode où les données à envoyer (généralement du texte, mais ce peut être un fichier informatique, une image ou un son numérisé) sont transmises par une série d’états binaires tout/rien. En d’autres mots, toutes les données, quoi qu’elles représentent ou quelles que soient leurs complexités, peuvent être définies et transmises comme une suite de décisions oui/non, allumé/éteint, 1/0, haut/bas, MARK/SPACE, de sorte qu’à n’importe quel moment, la transmission ne puisse uniquement être que binaire, tout ou rien. C’est manifeste avec le Morse où le contact du manipulateur est soit ouvert soit fermé, le transceiver en émission ou en réception.

 

Fig. 1 - Signal analogique. © 2002 Université Paul Sabatier (Toulouse III)

 

Fig. 2 - Signal digital. © 2002 Université Paul Sabatier (Toulouse III)

Toutefois il est difficile d’être absolument catégorique au sujet de la définition de certains modes générés par un ordinateur ou tout autre système électronique puisqu’ils peuvent à la fois être classé comme analogique et digital. Le Hellschreiber et le Morse sont les exemples des modes qui pourraient être dans les deux catégories – nous les désignerons par le terme modes "Fuzzy" (flous) étant donné que les émissions sont essentiellement digitales (tout ou rien) mais que la réception fait clairement appel à un processus analogique avec une interprétation humaine (visuelle ou sonore) au final. Cependant, les modes analogiques sont en géneral ceux incluant la transmission d’une image alors que les modes digitaux sont utilisés pour la transmission de texte. Là aussi, on distingue les modes numériques rapides pour le transfert de fichiers et ceux pour le bavardage qui nécessitent un débit moins important. De plus, les fichiers peuvent aussi contenir une image au lieu du texte.

Fig. 3 – un signal analogique SSB.

Fig. 4 – un signal tout ou rien CW

 

Bref historique et évolutions des modes digitaux

Le plus ancien mode digital utilisé en radio est bien sûr le Morse, qui date des découvertes en électromagnétisme et des inventions de Michael Faraday, de Charles Wheatstone et William Cooke, de Samuel Morse et Alfred Vail aux alentours de 1837. L’illustration sur la droite représente l’instrument de Wheatstone le " Télégraphe Electrique ". Le code de Morse fut en premier employé en radio en 1898 et en 1901 Marconi utilisa le code Morse pour franchir l’Atlantique.

Les modes digitaux furent élaborés à partir des applications de télégraphe automatique - transmission de texte par fils – qui est bien sûr antérieur à la radio. A l’origine, le système de Morse était en fait un appareil mécanique qui imprimait des traits sur du papier en utilisant un crayon actionné par un électroaimant et un mécanisme d’horlogerie pour tirer le papier. Ce fut seulement plus tard que les opérateurs réalisèrent que les signaux pouvaient être identifiés par les bruits de déclics à partir de l’appareil.

Les modes digitaux furent élaborés à partir des techniques de transmission de Baudot, Bain (qui inventa le FAX), Murray, Creed et Krum. Durant cette période électromécanique, la plupart des conceptions s’apparentaient à des machines à écrire opérées électriquement. Une fois l’électronique arrivée dans les années 1920, des transmissions utilisant des tonalités furent mises en usage et les techniques telles que le Hellschreiber, le Fac-similé (alors considérés comme des modes digitaux) et les téléscripteurs radio apparurent.

Le prochain développement majeur fut l’utilisation pendant la Deuxième Guerre Mondiale de la modulation par changement de fréquence désignée par l’abréviation FSK en anglais (Frequency Shift keying), qui rendit les communications radio digitales pratiques. A la fin de la guerre, beaucoup de nouveaux modes furent développés avec l’objectif d’améliorer la fiabilité des transmissions. Le Piccolo et le Coquelet procuraient une meilleure sensibilité grâce à l’utilisation de tonalités multiples et de synchronisation mais encore sans méthode de détection ou de correction d’erreur.

Le premier système de détection d’erreur à être largement employé, le SITOR A (TOR signifiant Telegraph Over Radio) fournissait une correspondance directe avec un téléscripteur radio 50 baud et un système amélioré pour les communications marines. Le SITOR a un système simple de détection d’erreur à deux bits combiné avec un protocole bidirectionnel de demande automatique de répétition ARQ (Automatic ReQuest) pour la correction des erreurs. Un autre système apparenté, le SITOR B, utilisait le même code une correction par avance FEC (Forward Error Correction) pour fournir une immunité raisonnable aux erreurs en transmettant chaque caractère deux fois. Ces systèmes codent les données ITA2 à l’intérieure d’un système de détection d’erreur à 7 bits appelé Code Moore ou ITA3, où chaque caractère reçu correctement doit toujours contenir le même nombre de 3 bits MARK et de 4 bits SPACE.

Les Radioamateurs connaissent ces deux systèmes respectivement sous la forme de l’AMTOR Mode A et Mode B, ces derniers doivent leur intégration dans la communauté Radioamateur grâce aux adaptations de Peter G3PLX. Le SITOR reste encore largement utilisé commercialement, la version FEC appelée NAVTEX, est très employée pour les diffusions météo.

A partir de la fin des années 1970, les modes digitaux radioamateur s’éloignèrent des intérêts commerciaux, parce que les besoins étaient différents et il devint utile de développer des systèmes plus adaptés au trafic DX basse puissance. Les systèmes commerciaux ont alors augmenté en général au niveau coût et sophistication et sont devenus bien au-dessus des moyens financiers du Radioamateur. Il y a eu des exceptions notables, surtout dans les communications longues distances HF où les Radioamateurs développèrent des modes comme le Pactor et le Packet AX25 qui ont été repris pour un usage commercial.

La technologie des modes digitaux Amateur était jusqu’à récemment en baisse au niveau des performances derrière les services militaires et commerciaux. Une nouvelle génération de modes digitaux basés sur les DSP ou les PC équipées d’une carte son sont apparus. Ces modes ont été ou sont actuellement en cours de développement par et pour les Radioamateurs. Par exemple :

• Le Pactor I de Ulrich DF4KV et Hans-Peter DL6MAA (maintenant Special Communications Systems) est un système FSK perfectionné avec ARQ et compression du texte qui utilise le jeu de caractère ASCII et un checksum CRC comme pour le packet radio AX25. Il est très pratique pour la diffusion de bulletins et le transfert automatique de messages. Le Pactor II est plus rapide, il offre un choix de systèmes de modulation et il est compatible de manière rétroactive avec le Pactor I. Malheureusement aucun logiciel n’est susceptible d’être disponible pour PC avec une carte audio au niveau émission. Le logiciel MixW permet de recevoir en Pactor I. Le matériel type contrôleur multimodes reste cher.

Fig. 6 – signal Pactor I

Fig. 7 – signal Pactor II

• Le Clover est un développement de Ray W7GMH et HAL Communications, il utilise des techniques de modulation PSK associé avec une correction d’erreur Reed-Solomon. Il y a quatre porteuses modulées de différentes manières, le système s’adapte automatiquement aux conditions. Malheureusement, les seules solutions matérielles sont chères.
• Le G-TOR est un développement commercial de Kantronics Inc. Il est similaire dans le concept au Pactor II mais il utilise le codage Golay contre les erreurs. Le G-Tor est uniquement disponible dans les appareils Kantronics.
• Le PSK-31 est un système PSK différentiel à bande étroite de Pawel SP9VRC et Peter G3PLX. Il possède une grande sensibilité, une bande passante étroite et un alphabet unique varicodé de 256 caractères qui autorise un support multi-langue - même le russe et le japonais. Une version QPSK intègre un FEC Viterbi sur le flux binaire. Le PSK-31 est disponible sur PC équipé d’une carte son.

Fig. 8 – 3 signaux PSK31 de force différente

• Le MT-63 de Pawel SP9VRC utilise 64 tonalités parallèles, chacune modulée en PSK. En utilisant un entrelacement en fréquence et en temps avec un système FEC de type Walsh à 64 bits, la bande passante aboutit à 1 kHz avec un débit d’environ 100 MPM. Le système est plutôt sensible et très robuste, puisque jusqu’à 25% du signal peut être perdu à n’importe quel moment ou que l’intégralité du signal peut être perdue pendant un laps de temps de 25%, sans détérioration de la réception. Le MT63 est disponible sur PC avec une carte son.

Fig. 9 – signal MT63 fort

Fig. 10 – signal MT63 faible avec du QSB

Des développeurs comme ceux mentionnés ci-dessus, plus G4GUO, IZ8BLY, KC7WW, N4HW, G3RUH, ZL1BPU et beaucoup d’autres travaillent avec assiduité sur de nouveaux modes ou des variantes de ceux déjà existants (MFSK16, MFSK8, PSK125F, PSK63F, THROB,…). Faites attention à la sortie dans un avenir proche de ces nouveaux programmes PC pour carte son.

Codages des Données ou des Caractères

L’alphabet d’un texte qui peut être composé de 64 à 256 caractères différents, voir même plus, est transmis plus efficacement en le codant en moins de bits. Les codes les plus courants sont l’ITA2, qui est un code de 5 bits permettant 32 combinaisons, et l’ASCII (ITA5), qui est un code de 7 bits avec 128 combinaisons possibles. Certains modes utilisent l’ASCII étendu, où les 128 combinaisons supplémentaires avec un code à 8 bits peuvent être employer pour les caractères des langues étrangères tels que ÇüéâûÅ ou même les alphabets japonais et russe peuvent être émis.

 

Fig. 11-  Codage des caractères : Le code ITA3 est aussi appelé code Moore. Chaque caractère est défini par une des 35 combinaisons possibles de 3 bits à un (mark) et 4 à zero (space) en raison du rapport fixé à 3/4. 32 de ces combinaisons définissent le jeu de caractères les plus utilisés et les 3 restantes servent pour le contrôle d’erreur et l’attente/synchro. (*Le code Baudot est identique au code Murray des Anglais exceptés un ou deux caractères.)

Les codes mentionnés ci-dessus sont réguliers, c’est-à-dire qu’ils ont le même nombre de bits pour chaque caractère. Si un code irrégulier appelé aussi varicode est employé, un arrangement efficace peut être atteint afin que peu de bits soient envoyés pour les caractères les plus fréquemment employés. Le Morse et le PSK-31 utilisent tous les deux des varicodes.

Fig. 12 : Exemples des varicodes utilisés en CW, en PSK31 et en MFSK16. Les varicodes du PSK31 et du MFSK16 ne sont pas complètement identiques. Le code en MFSK16 permet d’utiliser des séquences de bits contenant plus de deux zeros consecutifs (lettre F par exemple). Ce n’est pas le cas du PSK31 où, pour s'affranchir des problèmes de synchronisation, ils servent de code de séparation des caractères. Ce qui implique que la séquence 00 n’est jamais employé dans le codage d’un caractère en PSK31 La conception du varicode tient compte de la fréquence d’utilisation des caractères : les minuscules sont plus rapides à être transmises que les majuscules.

Codage et cryptographie

Il faut bien faire la distinction entre ces 2 notions. Le codage n’est pas secret, il permet juste de transposer un message clair en informations codées. Ces dernières sont aussi associées en plus à des protocoles, par exemple les bits de start/stop en RTTY, qui permettent d’obtenir la compatibilité dans les echanges. Le codage peut également fournir la possibilité de compresser des données, ce qui autorise une transmission plus rapide. Au niveau fiabilité, il peut aussi remplir éventuellement le rôle de détection et/ou correction des erreurs de transmission. L'ensemble code plus protocole est désigné généralement par le terme "Mode" dans le langage courant des radioamateurs.

Au contraire, le cryptage brouille volontairement un message clair. Ainsi il ne pourra être intercepté par personne d'autre que son destinataire. En plus de la confidentialité, le chiffrage permet d’authentifier l’expéditeur du message et aussi de s’assurer que ce message n’a pas été modifié. Le message crypté peut ensuite être codé comme n'importe quel message clair avant sa transmission

Le codage est un élément important dans les transmissions de données pour les opérateurs Radioamateur - il est essentiel que les modes utilisés par les Amateurs emploient des codes de données publiquement reconnus. Si ce n’était pas le cas, les données seraient en effet cryptées, c’est-à-dire dissimulé d’un point de vue public et par conséquent contraire à la réglementation radioamateur. Pour cette raison, toutes les fois qu’un nouveau code de données ou un code FEC est développé, il est nécessaire qu’il soit rendu public avant que les Radioamateurs ne soient autorisés à l’utiliser sur l’air. La même chose est bien sûr vrai pour n’importe quelle technique de compression employée.

Modes avec ou sans Codage?

Les modes codés utilisent un système (habituellement une grille de code) pour convertir les données source en un nombre limité de bits pour une transmission efficace. Des exemples sont le code ASCII employé par les ordinateurs ou le code ITA2 utilisé par les téléscripteurs, (qui n’est pas la même chose que les codes Baudot ou Murray). Certains codes, par exemple les codages Walsh, Reed-Solomon et le code Moore de l’AMTOR rajoutent des informations supplémentaires de redondance pour permettre une certaine détection des erreurs et parfois même leurs corrections.

Il peut y  avoir jusqu’à trois niveaux de codage - le codage des données pour encoder le jeu de caractère, puis le codage FEC pour fournir une correction ou une détection d’erreur et un algorithme de compression pour améliorer la rapidité.

Certains modes, comme le RTTY ou le BPSK en PSK-31, utilisent un codage des données mais pas de codage FEC. D’autres, comme le QPSK en PSK-31 et le Clover, utilisent les deux. Le Pactor emploie le codage de Huffman, une technique de compression. Bien sûr d’un point de vue Radioamateur, les codes et les techniques utilisés doivent faire parti du domaine public ou ils seraient alors considérés comme un cryptage qui n’est pas autorisé par le service Amateur.

Avantages des transmissions codées :

Les modes codés sont plus efficaces ;

Les codes sont adaptés aux techniques de compression et d’encryptage des données ;

Les systèmes codés sont appropriés pour la réception mécanique ou électronique automatique (sans surveillance) ;

La détection et la correction automatique des erreurs sont possibles.

 

Inconvénient des transmissions codées :

Plus complexes que les systèmes non codés ;

Nécessite des équipements complexes ou d’ordinateurs pour encoder ou décoder les données ;

Enclin aux erreurs du bruit puisque qu’un simple bit de données erroné change complètement les données reçues.

Les modes non codés n’utilisent pas de codage - le signal est transmis directement, soit scanné, comme dans le FAX ou le Hellschreiber ou comme du langage en temps réel comme pour le Morse ou la phonie. Le Morse n’est pas considéré comme un code par les utilisateurs expérimentés mais plutôt comme un langage naturel. Les modes non codés sont analogiques par nature, mais ils peuvent être transmis et reçus en utilisant des techniques digitales si des règles simples sont suivies.

Fig. 13 : QSO en Hellschreiber entre PA0EE et S57MK.

Avantages des transmissions non codées :

Moins complexe et généralement très immunisé contre le bruit ;

Reconnaissance des modèles de l’œil/l’oreille/cerveau humain et réjection du bruit utilisées ;

Reconnaissance humaine du contexte utilisée pour interpréter les caractères douteux ;

Pas de synchronisme nécessaire, par conséquent pas d’erreur par perte de synchronisme ;

Le matériel nécessaire est souvent très simple.

 

Inconvénients des transmissions non codées :

Les transmissions sont plus lentes et moins efficaces car plus de données sont envoyées ;

L’impression de listing papier est possible mais n’est pas si simple à produire ;

Les copies informatiques du texte reçu ne sont généralement pas récupérables sous forme de fichier texte.

 

Modes Synchrones et Asynchrones

Un système digital synchrone correspond à celui où les bits de données sont envoyés d’une manière continue et où ils ont tous la même durée. Grâce à l’utilisation de certaines techniques externes à la transmission des bits de données, le récepteur est capable de se verrouiller sur les bits de données, de les décoder pour restituer les caractères. Par exemple, le PSK31 est synchronisé en se verrouillant sur l’enveloppe  cosinusoïdale des bits de données; le packet AX25 est synchronisé par une suite unique de bits au démarrage de chaque transmission; tandis que l’Amtor mode B utilise des groupes répétés de caractères.

L’avantage d’un système synchrone est, qu’une fois que la transmission est commencée, le temps n’est pas perdu à envoyer des données de synchronisation. De surcroît, l’utilisation d’un système synchrone peut fournir de meilleures performances si les bits de données peuvent être démodulés d’une manière synchrone (comme dans le PSK-31). Plusieurs modes orientés bit emploient des techniques synchrones.

Un système asynchrone ou avec des bits de start-stop utilise un bit spécial au début de chaque caractère pour signaler le commencement et un autre à la fin de chaque caractère pour signaler l’arrêt. Le délai entre caractères peut être de n’importe quelle longueur au-delà de la durée du bit de stop. Le RTTY et le GL-Hell sont des systèmes asynchrones.

Fig. 14 : GH-Hell, un système asynchrone   L'illustration sur la droite est une reproduction extraite du manuel de la machine GL-Hell de Siemens. La technique de démarrage et arrêt automatique a été intégrée à l'émetteur-récepteur en ajoutant une barre verticale dans la colonne I, sur le côté gauche de chaque caractère transmis. Notez sur la matrice dans la colonne I la zone hachurée sur la gauche de chaque caractère, elle représente "l'Impulsion de Démarrage". La réception de cette période d'émission avant chaque caractère par le récepteur lance le mécanisme de rotation, en libérant un loquet électromagnétique. L'espace blanc à la fin du caractère, dans la colonne VII, permet au mécanisme de se reverrouiller. A cet égard, la police utilisée par le système GL est identique au système  Feld-Hell, ce qui inclue la "règle des deux  pixels" et la compensation d'un pixel solitaire par un second, nettement visible ici sur le "6".

 

Par exemple, RYRY transmis en Baudot plusieurs fois à la suite donne 1001010 R| 1010101 Y| 1001010 R| 1010101 Y... Pour chaque mot, le premier bit à 1 est le bit de stop du caractère précédent. Le 0 suivant est le bit de start du caractère. Les 5 bits suivants (01010 ou 10101) sont le code Baudot du caractère, utilisé pour la traduction.

Correction d’Erreur ARQ et FEC

Il est tout à fait possible d’établir une liaison par communications radio avec succès sans correction d’erreur, cela a été le cas avec le RTTY depuis plus de 40 ans et c’est encore le cas avec le nouveau mode PSK-31. Vous devrez simplement vous accommoder des erreurs occasionnelles ou plus qu’occasionnelles lorsque les conditions seront médiocres. Cependant, il y a des applications où la précision des communications est importante.

Afin de détecter l’apparition d’une erreur, certains types d’informations supplémentaires doivent être ajoutés aux données transmises. Cela aurait pu être aussi simple qu’un bit de parité. Par exemple, quand une "parité paire" est employée, le bit de parité est rajouté pour s’assurer que le nombre de bits MARK (1) dans chaque caractère soit paire. Malheureusement, la parité n’est pas assez efficace pour les applications radio. Le Code Moore utilisé pour l’AMTOR contient deux bits d’information supplémentaire par caractère qui fournissent de meilleures performances mais ne peuvent encore détecter certaines situations d’erreur, par exemple lorsqu’il y a deux bits en erreur dans le même caractère. Des systèmes plus efficaces fournissent une meilleure détection des erreurs mais aux dépens d’une augmentation de la redondance, c’est-à-dire plus d’informations par caractère de données. Certains systèmes de correction d’erreur sont assez puissants pour offrir la possibilité de rétablir réellement les caractères endommagés avec un haut degré de fiabilité. Il existe un grand nombre de techniques différentes (et souvent mathématiquement complexe) de détection et de correction d’erreur, leur usage dépend de manière importante du type d’application.

 

L’ARQ ou Automatic ReQuest repeat, est un système qui utilise la détection d’erreurs pour demander que les données soit retransmises jusqu’à ce qu’elles soient reçues correctement. Certains systèmes, comme le Pactor, sont capables d’ "additionner" les données reçues, en complétant les données erronées à partir de plusieurs tentatives et en fin de compte reconstituer les données correctes sans jamais recevoir une suite de données complètement exemptes d’erreur. Les techniques ARQ sont bien mieux adaptées aux transmissions de type paquets et elles ne sont bien sûr pas utilisables pour des communications en situations de réseaux ou en situations d’écoutes seulement, puisque aucune demande de répétition n’est possible.

Fig. X – Modes utilisant la technique ARQ (ACKNOWLEDGE étant l’acquittement de la station recevant les données).

Le FEC ou Forward Error Correction est une technique qui implique d’envoyer des informations supplémentaires  suffisantes pour s’assurer que les données seront reçues correctement. Par exemple, si chaque caractère est envoyé deux fois en utilisant un simple code de détection d’erreur (comme c’est le cas avec l’AMTOR mode B et le Navtex), le système de réception a deux chances de recevoir chaque caractère. Si le premier est erroné, il peut afficher le second. Si ce dernier est aussi mauvais, le système sait afficher un blanc ou, dans les systèmes combinés FEC/ARQ, demander une répétition.

Certains systèmes FEC sont très robustes et peuvent reconstruire les données malgré des erreurs de caractères répétées. Il existe des systèmes FEC spéciaux orientés bits de même que des systèmes orientés caractère, avec des noms intéressants comme codage Golay, Reed-Solomon, Viterbi, Walsh et Trellis. Les systèmes FEC sont parfaits dans les situations où il n’y a pas la possibilité de répondre à une demande de répétition. Par exemple, Voyager qui sondait Saturne et Jupiter, utilisait un système de codage FEC de type Golay.

J’espère que cette initiation aux techniques utilisées par les modes digitaux vous incitera à approfondir le sujet et à lire la suite les Modes Digitaux et autres MGM en HF.

Traduction et adaptation de Pascal F1ULT

GLOSSAIRE :

- MARK : état logique 1 du signal correspondant à la plus basse des fréquences (FSK) ou au signal (AM/CW)

- MODULATION : opération destinée à transformer un signal utile de données en un signal compatible avec le circuit de transmission. L'opération s'effectue en faisant varier en fonction du signal utile, un ou plusieurs paramètres (phase, amplitude, fréquence) d'une ou plusieurs "porteuses" constituant le signal transmis.

- FEC (Forward Error Correction) : Système dans lequel une redondance est ajoutée, à l'émission, au message de façon que les erreurs soient corrigées dynamiquement, à la réception, dans le décodeur.

 

Documentation consultée et sites visitées :

- Renaud de La Taille, "CRYPTAGE SUR INTERNET : LES NOUVEAUX MASQUES DU CRIME", SCIENCE ET VIE N°953 février 1997, p. 52 à 57 ;

- Jean-Claude AVENI FB1RCI, "LA COMPRESSION DE DONNEES ET LA COMPRESSION D’ERREURS", RADIO-REF N° 672 novembre 1995, p.17 à 20 ;

- Phil ZIMMERMANN, le logiciel PGP et son fichier d’aide ;

- Patrick F6CTE, "Modes numériques de types "discussion" (partie 1 et 2)", ONDES MAGAZINES N°9 aout/septembre 2003, p. 40 à 42 et N°10 octobre/novembre 2003, p.22 à 24 ;

- Jean-François Pillou, son site de vulgarisation de l’informatique http://www.commentcamarche.net/ ;

- le site de Institut Universitaire Professionnalisé en Systèmes de Télécommunications et Réseaux Informatiques de Toulouse http://www.httr.ups-tlse.fr/pedagogie/cours/index.html

- le site de ressource en ELECTROTECHNIQUE SITELEC http://sitelec.free.fr