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La transmission synchrone permet de transmettre un bloc de bits d'information, appelé trame, sous la forme d'un flot continu de bits sans bit de synchronisation start et stop. Les données sont rythmées par une horloge qui assure un temps constant entre chaque bit envoyé, mais aussi entre chaque mot (cf. figure 6.11). La synchronisation des horloges est obtenue soit en générant un signal sur une ligne séparée, soit en utilisant les signaux de données comme référence d'horloge. La dernière méthode est la plus utilisée car elle permet d'utiliser moins de fils.
Ce type de transmission implique un autre niveau de synchronisation pour déterminer le début et la fin d'une trame. Un préambule, et subsidiairement un postambule, doivent être générés au début et à la fin d'une trame. De plus, le bit de parité ne suffit plus pour détecter les erreurs, car le nombre de bits est trop important. Ces techniques font partie de protocoles comme le protocole HDLC (High Data Level Control).
Cette méthode présente les avantages et les inconvénients inverses de la transmission asynchrone: le surcoût généré est d'environ 1% pour des trames de 1000 bits. Par contre, la logique de contrôle est plus complexe et fait appel à des logiciels de niveau supérieur.
Il est à noter que la mise en oeuvre d'un protocole asynchrone est possible sur une ligne synchrone, mais le débit de cette dernière doit être quatre fois plus élevé que celui désiré pour l'asynchrone.
En règle générale, le récepteur doit reconstituer l'horloge si elle n'est pas transmise. Il utilise pour cela des techniques de récupération d'horloge ou récupération de rythme qui permettent d'extraire celle-ci à partir du signal reçu.