Enregistrement numérique
Comment enregistrer les données?
Fonctionnement

Les données numériques sont enregistrées sur un support analogique (disque dur, mais aussi CD-ROM ou DVD). Pour permettre un encodage fiable on utilise des méthodes d'enregistrement spécifiques.

Ces méthodes d'enregistrement sont utilisées sur la plupart des supports de stockage, à commencer par les disques durs dans les années 1980.

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Encodage

L'enregistrement des données s'effectue sur des pistes circulaires. On essaie de placer le plus de données par centimètre de piste. L'augmentation de la densité (nombre de données par millimètre) se fait au détriment de la taille des îlots magnétiques. Plus les îlots magnétiques deviennent petits, et plus le signal produit est faible. Plus les îlots sont petits, et plus ils sont succeptibles de perdre leur magnétisation. Il y a donc une limite à la petitesse des îlôts.

Enregistrement RLL

Les données sont placées de façon la plus compacte possible sur le disque dur. Contrairement à une connection téléphonique (internet), il n'y a pas de modulation du signal: les bits sont enregistrés tel quels (enregistrement baseband). Mais il est nécessaire d'ajouter un codage.
    Voici ce qui se présente si on n'effectue pas un encodage:
  • Changement trop rapide de polarité: les îlots magnétiques deviennent trop petits et ne gardent plus leur magnétisation (intersymbol interference)
  • Perte de synchronisation: dans le cas contraire, s'il y a trop peu de changements de polarité, le système perd la synchronisation: s'agissait-il de 10 ou de 11 zéros?
  • Composante continue: il faut garantir qu'il y ait autant de zéros que de uns pour éviter une composante continue qui dérègle le fonctionnement des amplificateurs.

Ces problèmes sont tous résolus avec deux systèmes d'encodage: EFM Eight to fourteen modulation et NRZI Non Return Zero Indication. Ces systèmes d'encodage utilisés simultanément permettent d'obtenir des densités plus élevées.

NRZI - Non Return Zero Indication
Au lieu d'enregistrer un signal magnétique positif pour chaque bit "1" et un signal magnétique négatif pour chaque bit "0", on n'effectue qu'un changement de polarité à chaque bit "1". Il n'y a donc pas de changement du magnétisme quand des bits "0" se suivent. En moyenne et pour des données purement arbitraires il y a donc la moitié de changements de polarité. On peut donc en théorie doubler la capacité du disque. Mais cet encodage n'est pas suffisant en soi: il y a toujours une modulation trop rapide si de nombreux "1" se suivent, et on risque de perdre la synchronisation si trop de "0" se suivent.

EFM - Eight to Fourteen Modulation
Les 8 bits d'un octet sont transformés en 14 bits. Le but est de limiter le nombre de "0" qui se suivent (perte de synchronisation) et de mettre un minimum de "0" entre deux "1" pour réduire la fréquence maximale.
Nous décrivons plus en détail le système utilisé pour les CD et CD-ROMs, car il est standardisé et bien connu. Au lieu d'une magnétisation positive ou négative, on enregistre des îlôts qui vont réfléter ou pas la lumière. Mais dans les deux cas, il y a une limite à la taille minimale.

Le système EFM est un des nombreux systèmes RLL (Run Length Limited). On indique souvent le nombre minimum et maximum de bits "0" qui peuvent se suivre. la valeur RLL 1,7 est souvent utilisée pour les disques durs (minimum un et maximum sept "0" consécutifs), tandis que le codage des CD utilise un RLL 3,10 (minimum trois et maximum dix "0" qui se suivent).

L'expansion des 8 bits d'origine à 14 bits permet (aussi étrange que cela paraisse) une compression des données. Dans le cas extrème un octet de huit 1 consécutifs a besoin de 8 changements de phase, tandis qu'encodé sous 14 bits (10010010010010), le même octet ne demande que 5 changement de phase. Même s'il n'y a pas toujours huit bits 1 consécutifs, le système doit tenir compte de la condition la plus mauvaise. Les systèmes NRZI et EFM combinés permettent une augmentation de la fréquence d'horloge de 6× comparée à un enregistrement sans codage.

Il y a 267 combinaisons de bits qui répondent au critère (maximum dix 0 de suite et au minimum deux 0 entre un 1), ce qui est donc suffisant pour encoder les 256 combinaisons de bits de l'octet d'origine.

En plus, on ajoute entre chaque code généré 3 bits de liaison qui permettent d'éviter des combinaisons qui ne répondraient plus aux normes: c'est le codage EFM original utilisé avec les CD. EFMPlus permet d'encoder 8 bits en 16 bits au total au lieu de 17 (avec les bits de liaison) en utilisant deux octets consécutifs. C'est ce codage un peu plus efficace qui est utilisé pour les DVD.

Le "slicer" qui va transformer le signal analogique en provenance du capteur (photo diode ou tête magnétique) en signal binaire fonctionne mieux si le niveau moyen du signal est situé à 50%, donc avec autant de niveaux hauts que bas.

Ce système d'encodage est utilisé pour chaque stockage de données: que ce soit sur des CD ou DVD, mais aussi sur des disques durs et sur des systèmes de sauvegarde à bande magnétique. Il est même utilisé (dans le domaine temporel) pour la transmission de données sur le réseau éthernet cablé.

L'image à droite provient d'un lecteur de CD (signal haute fréquence en provenance de l'unité de lecture). La fréquence d'horloge est de 4.31Mhz (232ns), mais la plus haute fréquence qui est enregistrée est 6 fois moindre car un "1" (changement de polarité) est toujours suivi d'au moins deux "0". Une bande passante analogique de 1MHz est donc suffisante pour traiter le signal: l'enregistrement (magnétique ou optique) se fait aussi à cette fréquence plus basse que la fréquence d'horloge.

L'image retouchée de l'oscilloscope reprend deux demi-périodes. L'encodage s'effectue par demi-périodes et une demi-période courte peut être suivie par une demi-période plus longue. Le tracé rouge est la demi-période la plus courte, en jaune une demi-période plus longue. Le léger pic est causé par l'amplification qui accentue les fréquences plus élevées.

La durée des périodes étant bien définies, une des caractéristiques de l'encodage EFM est que le spectre en fréquence est bien limité entre deux valeurs (voir troisième graphique): pas de fréquences trop basses (1/20 de la fréquence d'horloge) et pas de fréquences trop élevées (1/6 de la fréquence d'horloge). Tout signal en dehors de cette bande peut être rejeté: c'est du bruit. Cela permet aux circuits d'asservissement (suivi de piste) de fonctionner de manière plus efficace.

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