NUMERISATION ET TRANSMISSION DE L INFORMATION

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1 , Chapire rminale S NUMERISATION ET TRANSMISSION DE L INFORMATION I TRANSMISSION DE L'INFORMATION ) Signal e informaion ) Chaîne de ransmission de l informaion La chaîne de ransmission d informaions es l ensemble des élémens permean de ransférer de l informaion d un lieu à un aure. Elle comprend : un encodeur ; un canal de ransmission composé d un émeeur de l informaion ransmise, du milieu de ransmission e du récepeur ; un décodeur. Les echniques de ransmission d informaions se son développées au milieu du XX ème siècle avec l avènemen de l élecronique. Plusieurs évoluions echniques peuven êre soulignées : Le passage de l élecricié macroscopique à l élecronique a permis la miniaurisaion des disposiifs ; Le développemen de l informaique a permis de coder ous les ypes d informaions (sons, vidéos, données, exes ) e de les ransmere par les mêmes procédures e les mêmes réseaux ; Le passage du fil de cuivre à la fibre opique a permis d améliorer la qualié e le débi des ransmissions ; La éléphonie mobile, le Wifi, le Blueooh on permis de s affranchir des liaisons filaires. 3) Deux ypes de propagaion a) Propagaion libre La propagaion d'un signal es libre quand le signal peu se propager libremen suivan oues les direcions. Dans ce ype de propagaion, le milieu de ransmission es l air ambian, e les signaux ransmis son des ondes élecromagnéiques. Un canal de ransmission es caracérisé par sa bande passane, c es-à-dire la largeur des fréquences auorisées à êre uilisées. Selon la fréquence de cee onde, le ype d informaion qu elle ransme es différen : Grandes ondes Ondes moyennes Communicaions mariimes Ondes coures Radioéléphone Télévision FM VHF UHF Radioéléphone Communicaions faisceaux herziens e saellies TV direce par saellie Radar anicollision f khz MHz MHz MHz GHz GHz GHz 3 khz 3 MHz 3 MHz 3 MHz 3 GHz 3 GHz 3 GHz 3 km 3 m 3 m 3 m 3 cm 3 cm 3 mm km m m m cm cm mm Les possibiliés d uilisaion des bandes de fréquences herziennes arrivan à sauraion, la France es passée en à la élévision numérique erresre (TNT) qui uilise des bandes de fréquences plus éroies. b) Propagaion guidée La propagaion d'un signal es guidée quand le signal es conrain de se déplacer dans un espace limié. Il exise deux ypes de propagaion guidée : la ransmission par câble méallique e la ransmission par fibre opique. COMPRENDRE Page sur 9 Energie, maière e rayonnemen

2 Transmission par câbles méalliques Les câbles méalliques (ou câbles élecriques) son uilisés pour ransmere des informaions sous forme de signaux élecriques. Ce ype de ransmission es privilégié pour de coures disances pour deux raisons imporanes : l amorissemen des signaux augmene foremen avec la longueur du câble, les champs élecromagnéiques environnan les câbles déformen les signaux qui se propagen dans ces mêmes câbles. Plusieurs ypes de câbles son uilisés courammen : Le câble à paire orsadée, consiué de deux fils de cuivre enfermés dans une gaine isolane e enrelacés. (Ex. : le câble réseau RJ5) Le câble coaxial, consiué d un fil de cuivre cenral (appelé âme) e d une resse en cuivre séparés dans une gaine isolane e enrelacés. (Ex. : le câble enre une anenne e une TV) Câble à paire orsadée Câble coaxial Transmission par fibre opique Les fibres opiques son uilisées pour ransmere des informaions sous forme de signaux élecromagnéiques. Ce ype de ransmission es privilégié pour de grandes disances pour deux raisons imporanes : l aénuaion des signaux augmene rès faiblemen avec la longueur du câble, les signaux qui se propagen dans ces fibres son insensibles aux champs élecromagnéiques environnan. Une fibre opique se compose de rois paries : le cœur, la gaine e la proecion plasique. L indice de réfracion du cœur es supérieur à celui de la gaine : la surface limian le cœur e la gaine forme donc un diopre sur lequel un rayon lumineux se réfléchi. Plusieurs ypes de fibres son uilisés courammen : Les fibres mulimodales à sau d indice (fig. a ci-conre), consiuées d un cœur, milieu homogène d indice de réfracion consan ayan un for diamère (quelques dizaines voire cenaines de micromères). Ce son les premières fibres opiques uilisées à grande échelle. Ces fibres uilisen des rayons lumineux ayan des rajes (des modes) différens : des muliples réflexions successives engendren des longueurs de raje différenes e donc un éalemen de la récepion du signal de sorie, le signal ransmis es donc dégradé par ce ype de fibre. Ces fibres son donc uilisées pour de cours rajes, quelques cenaines de mères. Les fibres mulimodales à gradien d indice (fig. b ci-conre) on remplacé les fibres mulimodales à sau d indice : l uilisaion d un cœur ayan non pas un indice de réfracion homogène mais décroissans en s éloignan du cenre du cœur perme de diminuer l éalemen emporel de la récepion du signal de sorie e donc sa dégradaion. Ces fibres son donc uilisées pour de cours rajes, de l ordre du kilomère. Les fibres monomodales (fig. c ci-conre) consiuées d un cœur rès fin (le diamère es environ égal à la longueur d onde de l onde élecromagnéique uilisée, soi de quelques micromères). Dans ce ype de fibre, l onde subi peu de réflexions successives, car elle raverse la fibre quasimen dans la direcion de son axe. Les signaux ransporés son peu dégradés par ces fibres, qui son donc uilisées pour de rès longs rajes, noammen les liaisons inerconinenales. COMPRENDRE Page sur 9 mps, mouvemen e évoluion

3 ) Noion d aénuaion du signal Lors de sa propagaion, ou signal es aénué : la puissance lumineuse P S du signal à la sorie de la chaîne de ransmission es oujours inférieure à la puissance P e du signal à l enrée de la chaîne de ransmission. L aénuaion A d un signal es définie par : A =. log P e P s où A es exprimée en Décibel (db) Pour comparer les ransmissions enre elles, un coefficien d aénuaion linéique es défini : = A Soi α =. log P e d d P s avec d : la disance enre l émeeur e le récepeur en m, A en db e en db.m - Exemple : Une fibre opique uilisée pour de longues disances, à =,55 µm, a un coefficien proche de. - db.m - Un câble coaxial uilisé pour une anenne a un coefficien proche de, db.m - 5) Noion de débi binaire Le débi binaire mesure la quanié de données numériques ransmises par unié de emps. Il caracérise les ransmissions numériques. Si l informaion compore n bis émis pendan la durée, le débi binaire D es défini par la relaion : D = n (bis. s ) (bis) (s) = N nb. signaux k bis f e Hz N : nombre de signaux, k : nombre de bis uilisés e f e fréquence d échanillonnage (Cf. II-)) Exemples : Téléphone classique : kbis.s - Wi-Fi : Mbis.s - Fibre opique : Mbis.s - - Gbis.s - II NUMERISATION D UN SIGNAL La conversion d un signal analogique en un signal numérique es réalisée par un Converisseur Analogique Numérique ou CAN. La numérisaion d un signal analogique comprend oujours rois éapes imporanes : l échanillonnage - blocage, la quanificaion e le codage. ) Le signal binaire Le signal binaire présene l avanage d êre peu sensible aux perurbaions, les valeurs possibles de ension éan rès disinces. Ce ype de signal offre la possibilié d un raiemen informaisé, un ordinaeur ne pouvan effecuer des opéraions que sur des nombres binaires. Tou signal doi êre numérisé avan d êre exploié ou modifié informaiquemen. En revanche un signal recomposé à parir de sa version numérique présene des «échelees» donc n es pas une copie conforme du signal analogique de dépar. Un sysème numérique es consiué de nombreux composans élecroniques forman un circui élecrique complexe. À l image des deux éas possibles d un couran élecrique (il passe ou il ne passe pas), un sysème numérique uilise le langage binaire : un pour une ension basse (ou un couran qui ne passe pas) e un pour ension haue (ou un couran qui passe). L unié d informaion ne pouvan prendre que ces deux valeurs possibles es appelé un bi (conracion de BInary digit) COMPRENDRE Page 3 sur 9 mps, mouvemen e évoluion

4 Physique ) L échanillonnage - blocage Applicaion : 6 u 5 6 u 5 3 échanillonnage Signal analogique Signal échanillonné Signal bloqué u 5 blocage u (V) u (V),5,5,5,,5,,5,3,35,,5,5 (s) (s),5,,5,,5,3,35,,5,5 -,5 -,5 - Signal analogique convenablemen échanillonné - Signal analogique mal échanillonné f e >.f f e <.f 3) Quanificaion a) Résoluion du converisseur b) Pas de quanificaion Calibre Pour définir le pas de quanificaion, il fau connaîre la plage de mesure qui es la largeur de l inervalle de l ensemble des valeurs mesurables. Elle s exprime en Vol e défini le calibre à uiliser par l appareil de mesure. Définiion du pas de quanificaion Exemple : Converisseur de bis : Calibre (V) - ; ; ; + -, ; +, ; + 5 Plage de mesure (en V), 5 Pas (mv),9,,9,98, COMPRENDRE Page sur 9 mps, mouvemen e évoluion

5 Physique c) Qu es ce que la quanificaion? Exemple : Pour un converisseur de bis, un calibre de ; 5 V e donc un pas de, mv, les valeurs permises son : V,,mV,, mv, 3,6 mv,,8 mv, 6, mv Exemple : Pour l exemple précéden, si la valeur analogique de l échanillon prélevé es de 5,3 mv, la valeur permise la plus proche, e donc la valeur reenue, sera de,8 mv. Applicaion : d) Codage 6 u 5 3 quanificaion Signal bloqué p 6 u p 5 8p 36p p p Signal échanillonné. Commen passer d une écriure décimale à une écriure binaire? L écriure binaire repose sur le fai que ou nombre peu s écrire sous la forme d une somme de puissances de. Décimal binaire Décimal binaire Décimal binaire Décimal binaire Applicaion : p 6 u p 5 8p 6p 3 p p numérisaion Dae T e.t e 3.T e.t e 5.T e 6.T e 7.T e 8.T e 9.T e Valeur décimale Valeur binaire (bis) COMPRENDRE Page 5 sur 9 mps, mouvemen e évoluion

6 III - LES CARACTERISTIQUES D UNE IMAGE NUMERIQUE Une image es consiuée d une succession de aches colorées appelées pixel. Chaque pixel es subdivisé en rois aches correspondan aux rois couleurs primaires Rouge, Ver e Bleu. ) Le codage des pixels en couleur Le codage le plus uilisé es le codage RVB bis. Chaque couleur primaire es codée sur un groupe de 8 bis, appelé oce, pouvan prendre 56 valeurs différenes comprises enre e 55, correspondan à 56 niveaux d inensié lumineuse différens. Lorsque la couleur primaire es éeine, l oce prend sa plus peie valeur : Lorsque la couleur primaire a sa plus fore inensié lumineuse, l oce prend sa plus fore valeur : Chaque pixel (regroupan les 3 couleurs primaires) es donc codé sur 3 groupes de 8 bis (3 oces), soi bis. Chaque couleur primaire pouvan prendre 56 nuances différenes, chaque pixel peu en prendre plus de 6 millions : = ) Le codage des pixels en nuances de gris Le codage en nuances de gris consise à uiliser le codage RVB bis, en limian le nombre de valeurs possibles prises par un oce : à chaque couleur primaire sera affecée la même valeur de nombre binaire. Puisque un oce peu prendre 56 valeurs différenes, il es possible d obenir 56 niveaux de gris différens. Exemples : blanc : oues les couleurs primaires son allumées avec la plus fore inensié lumineuse : R V B noir : oues les couleurs primaires son éeines : R V B un gris foncé : oues les couleurs primaires allumées avec une assez faible inensié lumineuse : R V B un gris clair : oues les couleurs primaires allumées avec une assez fore inensié lumineuse : R V B ) Caracérisiques d une image numérique COMPRENDRE Page 6 sur 9 mps, mouvemen e évoluion

7 Exemples : Définiion : Une image possédan 6 colonnes e lignes compore 6 =,9. 6 pixels Cee image a une définiion d environ MPx. Résoluion : Si une image possède peu de pixels par unié de longueur, l image apparaîra pixellisée. Taille : Si l image précédene de,9. 6 pixels es codée en bis RVB (3 oces par pixel), sa aille es de : Taille = 3,9. 6 = 5,76. 6 oces. Si l image précédene de,9. 6 pixels es codée en bis N&B ( oce par pixel suffi alors), sa aille es de : Taille =,9. 6 =,9. 6 oces. Remarque : En réalié, le fichier a une aille légèremen supérieure car quelques oces son uilisés pour coder des informaions comme le forma, le nombre de lignes e de colonnes, le nom du fichier ) 5) Les préfixes de l unié de sockage informaique La quanié de mémoire uilisée dans les sysèmes numériques acuels es rès imporane : de nouveaux préfixes on alors éé définis. Les signaux analogiques uilisen des nombres en base ( caracères possibles de à 9) : Nom / Kilo Méga Giga Téra Symbole / k M G T valeur Exemples : 3,5 km = 3,5. 3 m Les sysèmes numériques uilisen des nombres en base ( valeurs possibles : ou ) : Nom / Kibi Mébi Gibi Tébi Symbole / Ki Mi Gi Ti Valeur ,99. Exemples : 3,5 Gio = 3,5. 3 oces Remarque : Le préfixe Gibi es la conracion de Gigabinaire L abréviaion du mo oce s écri oujours avec un «o» minuscule. C es un abus de langage de remplacer les préfixes binaires par les préfixes décimaux. IV - LE STOCKAGE OPTIQUE ) Définiion Exemples : Compac Disc (CD), Digial Versaile Disc (DVD), Blu-ray Disc (BD) ) La lecure opique a) Cas d un disque gravé indusriellemen La êe de lecure d un disque opique conien : Une diode laser, qui éme des ondes élecromagnéiques à une longueur d onde précise. Un miroir semi-réfléchissan, qui envoie une parie de l onde vers le disque opique. Des lenilles de focalisaion, qui concenre la lumière sur les alvéoles de la pise à lire. COMPRENDRE Page 7 sur 9 mps, mouvemen e évoluion

8 Une phoodiode, qui reçoi la lumière réfléchie par le disque opique. Un disque opique es formé d'un subsra en maière plasique e une fine couche méallique sur laquelle on éé creusées des alvéoles (à l'écriure des données), disposées le long d'une pise en spirale. Ces alvéoles permeen le codage numérique en binaire des informaions. Conrairemen à ce qu il es couran d enendre, les creux ne représenen pas les e les plas les. La lecure des informaions écries sur le disque opique es basée sur l uilisaion de deux phénomènes physiques : la réflexion e les inerférences. Lorsque le faisceau laser du leceur balaie la pise, la différence de marche enre deux rayons se réfléchissan sur la pise peu conduire à des inerférences consrucives ou desrucives selon deux cas : Si le faisceau laser frappe un creux ou un pla, la phoodiode reçoi les ondes réfléchies par le pla (ou le creux). Comme elles arriven oues en phase, l inensié lumineuse perçue es maximale e la valeur binaire es affecée à cee siuaion. Si le faisceau laser frappe une zone à cheval enre un creux e un pla, la phoodiode reçoi l onde réfléchie provenan du creux e celle provenan du pla. L onde se dirigean vers un creux doi parcourir plus de chemin que celle se dirigean vers un pla. En effe, l épaisseur du creux es par consrucion égale à de la radiaion du faisceau laser : l aller e le reour du chemin supplémenaire correspond donc à une disance égale donc les deux ondes reçues par la phoodiode arriven en opposiion de phase ; l inensié lumineuse perçue es quasi-nulle e la valeur binaire es affecée à cee siuaion. Remarque : Le codage binaire des données uilisées consise à aribuer : Un lors du passage d'un pla à un creux ou vice versa, c'es-à-dire lorsque la ension fournie par le capeur varie ; Un lorsque la ension es sable (soi dans un éa hau, soi dans un éa bas). b) Cas d un disque inscripible Un disque inscripible ype CD-R (Compac Disc Recordable) ne compore ni creux, ni pla. Ce disposiif es remplacé par une couche de coloran organique coincée enre une couche méallique e une aure en polycarbonae. L écriure de données sur ce suppor ne correspond pas à une gravure, mm Éiquee Acrylique Aluminium Coloran Polycarbonae mais à une brûlure du composé organique ; en effe, le faisceau laser opacifie la couche organique e crée ainsi un conrase enre les zones brûlées e celles qui ne le son pas. A la lecure, les zones brûlées absorben la lumière. Au conraire, les zones non brûlées réfléchissen la lumière COMPRENDRE Page 8 sur 9 mps, mouvemen e évoluion

9 du laser. La mesure des différenes inensiés de lumière réfléchies perme de décoder l informaion numérique. c) Cas d un disque réinscripible Un disque réinscripible ype CD-RW (Compac Disc ReWriable) ne compore ni creux, ni pla comme un CD-R. La couche organique du disque inscripible es remplacée par rois couches : une couche d un maériau crisallin coincée enre deux couches d un maériau élecriquemen isolan. L écriure de données sur ce suppor ne correspond pas non plus à une gravure mais à un changemen de phase du maériau crisallin : par chauffage, le faisceau laser fai fondre la srucure crisalline la ransforman en maériau amorphe (non srucuré). Les couches isolanes permeen le refroidissemen rapide e donc le mainien en l éa du maériau amorphe. La lecure des données reprend le principe du disque inscripible. L effacemen des données s obien en chauffan plus faiblemen la couche crisalline/amorphe e en la laissan refroidir plus lenemen afin que ou le maériau rerouve une srucure crisalline. Un graveur doi donc posséder une source laser capable de moduler l inensié lumineuse du faisceau lumineux qu elle éme. Éiquee Acrylique Aluminium Isolan Aluminium, mm Srucure crisalline / amorphe Polycarbonae Phase amorphe Phase crisalline 3) Capacié de sockage Pour accroîre la capacié de sockage d'un disque opique, ou en conservan le même forma, il fau que les inscripions sur les pises soien plus fines e rapprochées. Mais, lors de l'écriure e la lecure, la concenraion du faisceau laser par une lenille convergene es limiée par le phénomène de diffracion. En effe, le faisceau laser ne se concenre pas en un poin, mais en une âche de diffracion don les dimensions son proporionnelles à la longueur d'onde du laser. L'emploi de laser de longueur d'onde de plus en plus coure a permis d'accroîre la capacié de sockage des disques opiques. C es ainsi que son nés le DVD puis le BD. COMPRENDRE Page 9 sur 9 mps, mouvemen e évoluion