Téléinformatique. Cours 2: Couche Physique. Couche physique (1) Quels supports de transmission pour les données?

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1 Téléinformatique Antoine Gallais, Maître de Conférences Université Louis Pasteur, Département Informatique Equipe Réseaux et Protocoles du LSIIT Ce cours est construit sur la base de plusieurs supports pédagogiques parmi lesquels les cours de Jean-Jacques Pansiot, Gilles Grimaud, Nathalie Mitton, Nadia Bel Hadj Aissa. L usage de ce support ne peut être qu académique. Cours 2: Couche Physique Quels supports de transmission pour les données? Quelles techniques de transmission pour les données? Couche physique (1) Rôle Etablir la connexion physique entre un système et le réseau Dépend du mode de transport du message Câbles, ondes... Réseau Liaison Physique Sous-réseau de de communication 1

2 Couche physique (2) Unité d information Le bit Services assurés Synchronisation Délimitation des informations significatives Modulation Représentation des bits Mécanique Réalisation des connecteurs Réseau Liaison Physique Sous-réseau de de communication I. Les supports de transmission Les supports de transmission Câbles Métalliques, fibre optique Hauts débits Déploiement + coût + staticité Ondes Mobilité et flexibilité Débits moins élevés + sécurité (des données, des personnes?) 2

3 Quelques supports de transmission Le cable coaxial La paire torsadée La fibre optique L air Câble coaxial (1) Cœur de cuivre Isolant Tresse conductrice Gaine protectrice isolante Utilisation Téléphonie, télévision, informatique, Avantages Bande passante max = 150 MHZ Bonne résistance aux bruits Inconvénients Encombrant Coûteux Non universel Câble coaxial (2) Fonctionnement Signal électrique transmis sur le fil de cuivre 3

4 Paire torsadée (1) Utilisation Téléphonie, informatique, vidéo Avantages Bon marché Bon débit Largement répandu Inconvénients Moins bonne résistance aux bruits Paire torsadée (2) Paires non blindées UTP (Unshielded Twisted-Pair) Paires blindées STP (Shielded Twisted-Pair) Paires torsadées avec blindage géneral FTP (Foiled Twisted Pairs ) Paires torsadées avec double blindage SFTP (Shielded and Foiled Twisted Pairs) Paire torsadée (3) Fonctionnement Signal électrique transmis sur le fil de cuivre 4

5 Fibre optique (1) Utilisation Interconnexion de réseaux Avantages Support léger, peu encombrant, sécurisé Hauts débits sur longues distances Pas d interférences, pas de rayonnement Inconvénients Plus cher que STP Fragilité Difficile à installer et à maintenir Fibre optique (2) Fonctionnement En entrée Diode électroluminescente (DEL ou LED pour light-emitting diode) Diode laser En sortie Photodiode ou phototransistor Plusieurs catégories de fibres Monomode Trajet direct pour la lumière Multimode Plusieurs trajets possibles, fonction de l indice de réfraction de la fibre L air (1) Ondes lumineuses Faciles d utilisation Facilement perturbables Ondes infra-rouge Transmission faible portée, en LoS (Line of Sight) Ne traversent pas les objets solides Ondes radios (radioélectriques) ou hertziennes Nombre d oscillations/s = fréquence Distance entre deux maxima/minima = longueur d onde Traverse les objets (à basses fréquences) Longues distances mais chute rapide de la puissance 5

6 L air (2) Fonctionnement - Générer des ondes radio Antennes émettrices conducteurs métalliques circulation de courants très haute fréquence Création d un champ électromagnétique aller-retour très rapides des électrons Propagation => onde radio. Antennes réceptrices conducteurs métalliques Agitation des électrons lors de l arrivée de l onde radio Rythme identique à celui des électrons de l antenne émettrice Mouvement des électrons => courant électrique L air (3) Les ondes radio Interférences possibles avec équipements électriques Faible bande passante Contrôle strict des gouvernements sur les fréquences L air (4) Inconvénients Sécurité Accès au medium Interférences Avantages Grande facilité de déploiement Mobilité accrue Plusieurs chemins émetteur/récepteur Réflexions, trajets multi-chemins, 6

7 Choix des supports de transmission Imposé par le lieu de déploiement Quelle taille de zone à couvrir? Quelle contraintes? Bâtiment historique, zone sinistrée, Imposé par l utilisateur final Quel débit? Quelle bande passante? Quelle sécurité? Quel coût? Quelle utilisation? Événement ponctuel (salon d exposition, LAN party, ) Déploiement long terme Exemple à Strasbourg Objectif Recenser les points d accès déployés Entreprises, particuliers, S affranchir des GPS en ville Réalisé par R. Kuntz et G. Schreiner Matériel Un vélo et un PC dans le dos Scan des points d accès Enregistrement des SSIDs Résultat: près de points d accès trouvés! 7

8 II. Les techniques de transmission Caractériser les échanges (1) Liaison unidirectionnelle Simplex Caractériser les échanges (2) Liaison à l alternat Half-duplex ou 8

9 Caractériser les échanges (3) Liaison bidirectionnelle Full-duplex Définitions (1) Débit (b/s) Nombre de bits par seconde traversant le circuit de données Capacité Débit utile max du canal Fréquence Nombre de fois qu'un phénomène temporel régulier se reproduit identique à lui-même par intervalle de temps donné Techniques de transmission Signal analogique Variation de manière continue dans le temps (signal sinusoïdal) Signal numérique Variation de manière discontinue dans le temps 9

10 Série de Fourier Décomposition d une fonction périodique Somme de sinusoïdes de fréquences différentes Fréquence temporelle exprimée en Hertz Définition : soit g(t) une fonction périodique quelconque de période T, sa décomposition en série de Fourier est : f = 1/T fréquence fondamentale du signal g(t) c composante continue an et bn coefficients de Fourier représentent les amplitudes respectives des sinus et cosinus de rang n chaque terme de rang n est une harmonique du signal fréquence n*f (f = fréquence fondamentale) Inversement, an, bn et c peuvent se calculer en fonction de g(t) 10

11 Définitions (2) Fréquence de coupure Fréquence d un signal au-delà de laquelle le signal subit une forte atténuation Bande passante = f2 - f1 Bande passante Gain décroît de 20dB par décade Source: Wikipedia Spectre électromagnétique 11

12 Relation entre bande passante du canal et signal transmis Affaiblissement dû au support (ou canal) Harmoniques affaiblies non uniformément Limité à n db dans la bande passante Pour une transmission correcte d un signal, La plage des fréquences correspondant aux principales harmoniques du signal doit être comprise dans la bande passante du canal Relation entre débit et harmoniques (1) D = 1/T : débit binaire en bits/sec (b/s) T : période du bit Pour un débit binaire de D b/s : temps nécessaire pour transmettre un caractère (octet) = 8/D sec (au moins une transition par caractère) Fréquence de l harmonique fondamentale: D/8 Hz Liaison téléphonique analogique BP = environ 3000Hz intervalle des fréquences de la voix: [300Hz,3400Hz] Relation entre débit et harmoniques (2) Nombre d harmoniques effectivement transmises sera approximativement : 3000/(D/8) Quand D augmente, le nombre d harmoniques permettant de reconstituer le signal diminue Cas extrême si D > : aucune harmonique reçue Conclusion: limiter la largeur de la bande passante limite le débit binaire maximum sur un canal 12

13 Théorème d échantillonnage Claude Shannon, Harry Nyquist Théorème : Rmax = 2 H R = fréquence d échantillonnage H = bande passante de la ligne Exemple : si voie téléphonique de 4000 Hz => voix échantillonnée 8000 fois/sec Débit maximum d un canal (1) Conséquence du théorème de Nyquist V = valence du signal Un signal comportant un nombre V de niveaux significatifs débit binaire maximum = Dmax = 2H log2 V Exemple BP du canal = Hz, V=2 (signal bivalent) => Dmax = b/s V=4 (signal quadrivalent) => Dmax = b/s Signal multivalent Optimisation de l utilisation de la bande passante Débit maximum d un canal (2) Cas des canaux bruités : S/N : rapport signal sur bruit S : énergie du signal N : énergie des bruits et parasites Exprimé en décibels (db) 10 log10(s/n) Exemple : S/N = 10 => 10 db S/N = 1000 => 30 db Théorème de Shannon : Dmax = H*log2 (1 + S/N) (max théorique) Exemple avec H= Hz S/N = 30dB => Dmax ~ 30Kb/s S/N =10dB => Dmax ~ 10Kb/s 13

14 Débit maximum d un canal (3) Définition : BP à n décibels : Intervalle de fréquence où l affaiblissement est inférieur à n décibels Affaiblissement du signal : Aff = 10 log10 Pe/Pr Pe : puissance du signal émis Pr : puissance du signal reçu Exemple : affaiblissement de 3 db : 10 log10 Pe/Pr = 3 db => Pe/Pr = 2 la fréquence de coupure fc correspond au point où Pe/Pr = n db pour une BP à n db réseau téléphonique : BP [300, 3400] à 3 db Téléinformatique Antoine Gallais, Maître de Conférences Université Louis Pasteur, Département Informatique Equipe Réseaux et Protocoles du LSIIT Antoine.Gallais@dpt-info.u-strasbg.fr Ce cours est construit sur la base de plusieurs supports pédagogiques parmi lesquels les cours de Jean-Jacques Pansiot, Gilles Grimaud, Nathalie Mitton, Nadia Bel Hadj Aissa. L usage de ce support ne peut être qu académique. 14