Télémesure PCM : trames, synchro et bilan de liaison

Des capteurs à un flux binaire unique

Un avion instrumenté embarque des centaines — parfois des milliers — de points de mesure : jauges de déformation, accéléromètres, thermocouples, pressions, positions de gouvernes, sans compter tout ce qui circule déjà sur les bus avioniques. Tout cela doit rejoindre le sol par une seule porteuse radio.

La réponse, inchangée depuis les années 1960 et toujours la bonne, c'est le multiplexage temporel. Plutôt que de donner une porteuse à chaque paramètre, on donne à chacun un créneau dans une séquence temporelle répétée. Chaque échantillon est numérisé sur un nombre fixe de bits — c'est la partie modulation par impulsions codées — et les créneaux sont émis les uns après les autres en un flux série continu.

Rien dans ce flux n'identifie un paramètre. Pas d'en-tête, pas d'étiquette, pas de nom : une valeur se reconnaît uniquement à sa position dans la séquence. C'est ce qui rend le PCM aussi efficace, et c'est aussi pourquoi tout repose sur la capacité du récepteur à savoir exactement où la séquence commence.

Mots, trames mineures, trames majeures

Le créneau élémentaire est le mot, typiquement de 8 à 16 bits. Un convertisseur 12 bits se retrouve généralement dans un mot de 16 bits, les bits restants portant un état ou étant simplement perdus — l'alignement vaut mieux que quelques pour cent de bande passante.

Une séquence fixe de mots forme la trame mineure. Elle porte un motif de synchronisation qui marque la frontière de trame et, presque toujours, un compteur identifiant la trame dans le cycle : le SFID. IRIG 106 borne la trame mineure à 8 192 bits et 1 024 mots au maximum — généreux, mais pas infini.

Un ensemble de N trames mineures forme la trame majeure, N étant l'étendue du compteur de trame. Le format complet se répète une fois par trame majeure. C'est cette structure à deux niveaux qui permet à un flux unique de porter des paramètres aux cadences très différentes.

Sous-commutation et sur-commutation

Un paramètre lent ne mérite pas un créneau dans chaque trame mineure. En confiant un créneau à un paramètre différent à chaque trame mineure, on divise sa cadence par N : c'est la sous-commutation, et c'est ainsi qu'une centaine de températures tient dans la place d'une seule voie rapide.

L'inverse fonctionne aussi. En donnant plusieurs créneaux à un paramètre dans la même trame mineure, on multiplie sa cadence : c'est la sur-commutation, utilisée pour les vibrations ou tout ce qui a une vraie dynamique. Répartir ces créneaux régulièrement dans la trame est essentiel — des échantillons irrégulièrement espacés produisent une gigue qu'aucun filtrage au sol n'effacera.

La correspondance entre position de créneau et paramètre, c'est le format. Il doit être identique à bord et au sol, et c'est exactement ce que porte l'enregistrement de configuration TMATS dans un fichier IRIG 106. Un format erroné ne donne pas des données visiblement fausses : il donne des données plausibles, ce qui est bien pire.

Choisir les cadences d'échantillonnage

Deux lignes de calcul gouvernent toute la conception. La cadence de trame est le débit binaire divisé par la longueur de la trame mineure en bits. La cadence d'un paramètre est la cadence de trame multipliée par le nombre de créneaux qu'il occupe dans une trame mineure — ou divisée par la profondeur de sa sous-commutation.

Prenons un flux à 5 Mbit/s avec des trames mineures de 512 mots de 16 bits, soit 8 192 bits par trame. La cadence de trame vaut 610 trames par seconde. Un créneau donne un paramètre à 610 Hz ; huit créneaux régulièrement espacés donnent 4 883 Hz ; un paramètre sous-commuté sur 32 trames mineures donne 19 Hz. Tout le reste n'est que comptabilité.

L'erreur classique consiste à fixer les cadences au seuil de Nyquist. Deux fois la fréquence maximale d'intérêt est un plancher théorique, pas un objectif d'ingénierie : cinq à dix fois, c'est ce qui produit des courbes temporelles lisibles par un ingénieur, et ce qui laisse de la place pour filtrer et rééchantillonner ensuite.

Synchronisation de trame : comment le sol retrouve le début

Le récepteur reçoit un flux continu de bits sans frontière naturelle. Il doit d'abord récupérer l'horloge bit, puis trouver la trame. Ces deux étapes ont des conséquences concrètes sur la façon de construire le flux.

La récupération d'horloge a besoin de transitions. Une longue suite de bits identiques affame la boucle de récupération et le récepteur dérive : c'est pourquoi le NRZ-L brut est rarement émis tel quel. IRIG 106 spécifie un embrouilleur à 15 bits qui garantit des transitions sans ajouter de surcoût, et les codes bi-phase garantissent une transition par bit au prix du double de bande passante.

Le verrouillage de trame vient ensuite du motif de synchronisation. Le décommutateur le cherche dans le flux, vérifie qu'il réapparaît exactement une trame mineure plus tard, et ne se déclare verrouillé qu'alors. Les bons motifs sont choisis pour leurs propriétés d'autocorrélation, afin qu'une version décalée ou bruitée ne ressemble pas à une correspondance ; le motif 24 bits 0xFAF320 est celui que vous rencontrerez le plus souvent, et des motifs plus longs servent sur les liaisons plus bruitées.

La stratégie de recherche, de vérification et de verrouillage se règle, et les deux extrêmes font mal. Trop stricte, une seule erreur binaire fait perdre le verrouillage et coûte une trame ; trop tolérante, le décommutateur se verrouille sur un motif qui apparaît par hasard dans les données. Les pertes de synchronisation méritent d'être enregistrées comme un paramètre d'essai à part entière : c'est la mesure honnête de la qualité de liaison.

Des bits à la RF : codes et modulations

Le flux binaire est ensuite modulé sur une porteuse. IRIG 106 définit un petit jeu d'options, et le choix se ramène en pratique à un arbitrage entre robustesse et efficacité spectrale.

Les bandes de fréquence dépendent du centre d'essais et du pays, pas de l'équipement. Ce qu'offre un émetteur d'essais, c'est une plage d'accord : bande L autour de 1 400 à 1 600 MHz, bande S de 2 200 à 2 400 MHz avec une option étendue, bande C autour de 5 090 à 5 250 MHz avec une option basse. La tranche que vous avez le droit de rayonner, elle, relève de l'allocation de fréquence, réglée avec le centre d'essais bien avant le vol.

La relation à garder en tête : la bande occupée est proportionnelle au débit binaire. Doubler le débit double la bande, ce qui double la puissance de bruit dans le récepteur et coûte 3 dB de marge. On ne contourne pas cette règle, on choisit seulement où dépenser la marge.

Le bilan de liaison, ligne par ligne

Un bilan de liaison de télémesure est une simple colonne de décibels : tout ce que l'émetteur apporte, moins tout ce que le trajet retire, comparé à ce dont le démodulateur a besoin. L'atténuation en espace libre domine et vaut la peine d'être retenue : 32,44 + 20 log(distance en km) + 20 log(fréquence en MHz).

Treize décibels de marge à 200 km paraissent confortables, et c'est exactement ce qu'il faut, parce que le tableau est optimiste sur la ligne la moins importante en théorie et la plus importante en pratique : le gain de l'antenne de bord. Une antenne lame a des creux profonds, la cellule la masque, et une inclinaison à l'opposé de la station sol coûte 10 à 20 dB instantanément. La détection multi-symboles récupère 2 à 3 dB en PCM/FM ; une seconde antenne avec sélection de la meilleure source en récupère beaucoup plus.

Ce qui casse vraiment la liaison

• Les creux de diagramme et le masquage par la cellule — première cause, et la raison pour laquelle deux antennes avec sélection de la meilleure source ou combinaison en diversité sont la règle.
• Les trajets multiples aux faibles élévations, au-dessus de l'eau ou le long d'une piste, où le rayon réfléchi arrive presque aussi fort que le direct.
• Le pointage : une antenne à poursuite automatique qui perd l'avion, ou qui accroche un lobe secondaire de son propre diagramme.
• Le spectre : un autre utilisateur sur le centre d'essais, une émission parasite, ou une allocation plus étroite que la bande réellement occupée.
• Le trivial : un câble coaxial abîmé, de l'eau dans un connecteur, un préamplificateur qui n'est pas au plus près de la source, un étalonnage de pointage jamais refait.

L'enregistrement comme filet de sécurité

Une liaison de télémesure décroche. Un enregistreur, non. L'architecture normale garde les deux : un flux à débit réduit par voie RF pour que les ingénieurs d'essais suivent le point en direct et enchaînent, et les données à plein débit écrites à bord pour l'analyse qui produit vraiment les réponses.

Cela ne fonctionne que si les deux vues partagent une référence de temps. L'enregistreur, les unités d'acquisition et la station sol doivent être asservis à la même source — IRIG-B, GPS ou PTP — sans quoi la fusion d'un segment télémesuré avec le fichier enregistré produit un décalage que personne ne saura expliquer après coup.