Couche Physique. Introduction aux Réseaux. Transmission de l'information

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1 Couche Physique Transmission de l'information Introduction aux Réseaux Eric RAMAT littoral.fr Université du Littoral Cote d'opale Licence Informatique 3ème année

2 Plan Support de transmission Transmission de l'information Numérisation Codage en ligne Transmission en bande de base Transmission modulée

3 Supports de transmission?? 3

4 Supports de transmission Support 4

5 Supports de transmission Support Le médium par lequel l'information passe d'un nœud à un autre du réseau Trois types de supports Métallique Optique Radio Chacun possède des particularités spécifiques bande passante atténuation et sensibilités diverses coût et facilité d'installation etc... 5

6 Les paires torsadées Principe Deux brins de cuivre, de diamètre inférieur au millimètre, isolés et agencés en spirale Une paire = un lien de communication 2, 4 ou 8 paires dans une même gaine = un câble Transmission analogique (téléphone) ou numérique (LAN) Chaque paire est enroulée pour limiter les interférences 6

7 Les paires torsadées Classification Cat 1 : pour le téléphone Cat 2 : 4 Mbit/s token ring networks. Cat 3 : Fréquences 16 MHz et 10 Mbit/s, Cat 4 : 20 MHz, 16 Mbit/s Cat 5 : 100 MHz, 100 Mbit/s Cat 5e : 100 MHz, 100 Mbit/s et Gigabit Cat 6: 250 MHz, 10Gbit/s 50m Cat 6a: 500 MHz, 10Gbit/s 100m Cat 7: 600 MHz, 10Gbit/s 100m Cat 7a: 1000 MHz, 40Gbit/s 50m et 100Gbit/s 15m 7

8 Les paires torsadées Avantages Simple Économique Réutilisation de l'existant Désavantage Sensibilité aux perturbations électromagnétiques Atténuation très importante du signal 8

9 Le câble coaxial Principe Deux conducteurs ayant le même axe. Utilisé pour la télévision et téléphone entre autres Deux versions : «gros» et «fin» Débit 5 à 10Mbit/s voire 1 à 2 Gbit/s sur 1KM 9

10 Le câble coaxial Connectique Thick (Gros) Prise vampire (le câble est percé avec le connecteur de manière à réaliser directement la connexion physique et électrique) Thin (fin) Prise BNC en forme de T 10

11 Le câble coaxial Avantage Meilleure qualité de transmission Débits plus importants Facilité de manipulation discutable (poids, flexibilité) Désavantage Coût élevé A été longtemps un câblage de prédilection, remplacé aujourd'hui par de la fibre 11

12 La fibre optique Principe Cylindre de fibre de silicium, extrêmement fin Supporte de gros débits sur de longues distances Faible sensibilité électromagnétique, difficulté d'écoute Deux sortes de lumière Diodes électroluminescentes Laser (plus de débit mais plus cher et faible durée de vie) Débits 2, 10, 50 Gbit/s Bande passante 10MHz 100GHz 12

13 La fibre optique Avantages Bande passante immense débits très importants Atténuation plus faible Insensibilité aux interférences électromagnétiques Insensibilité aux corrosions chimiques de l'air Faible poids, faible encombrement Désavantage Fragilité Transmission point-à-point Transmission unidirectionnelle Câblage délicat Coût élevé des interfaces 13

14 Transmission sans fils Ondes Radio Infrarouge, hertzien... Wifi (56 Mbit/s), Bluetooth (2Mbit/s)... Portée de 10 à 150m Forte sensibilité aux perturbations électromagnétiques Pas de sécurité Micro ondes Transmission terrestre : portées 50 à 1000Km Transmission satellitaire : hauteur 36000km ou 800Km 14

16 Transmission en bande limitée Caractérisation d'un signal Chaque signal périodique peut se décomposer en une somme infinie de sinusoïdes (décomposition de Fourrier) Bande passante En théorie, la bande passante désigne la différence en Hertz entre la plus haute et la plus basse des fréquences transmissibles sur un support de transmission Effet Toutes les fréquences du signal qui ne sont pas dans la bande passante du canal seront «filtrées» par le canal 16

17 Effets de la bande limitée 17

18 Atténuation et bruit Atténuation Perte d'énergie que subit le signal lorsqu'il se propage le signal décroît de façon logarithmique lorsque la distance augmente généralement connue pour un support donné utilisation d'amplificateurs Bruit Tout canal de transmission introduit un bruit. On note S la puissance du signal et B celle du bruit (en Watt) Le rapport signal sur bruit mesuré en décibel du canal S =10 log S B 1 0 d B B Ex. si S/B = 1000, le rapport signal sur bruit vaut 30 db si S/B = 2, le rapport signal sur bruit vaut 3 db 18

19 Capacité d'un canal de transmission Définition La capacité d'un canal de transmission est le débit maximum que peut atteindre la transmission sur le canal. Elle est liée à la bande passante du canal et à son rapport signal sur bruit. Théorème de Shannon Soient W la bande passante d'un canal de transmission et S/B le rapport signal sur bruit. La capacité en bit/s du canal est : C = W log 2 1 S B 19

21 Message analogique vs. numérique Message données que l'usager souhaite transmettre Message analogique espace de temps continu, espace de valeurs continu ex : voix, vidéo, données collectées par des capteurs Message numérique espace de temps discret, espace de valeurs discret ex : texte, entiers

22 Signal analogique vs numérique Signal la représentation physique du message à transmettre. ils se présentent généralement sous la forme d'une grandeur électrique (tension, courant) qui peut ensuite être convertie en une onde électrique ou électromagnétique pour la transmission Signal analogique signal représentant un message analogique Signal numérique signal résultant de la mise en forme d'un message numérique il se présente sous la forme d'une succession de formes d'ondes pouvant prendre une parmi un ensemble fini de possibilités utilisées pour coder l'information 22

23 Transmission analogique vs. numérique La transmission l'opération qui consiste à transporter le signal d'une machine vers une autre, sur un support donné Transmission analogique transport d'un signal analogique nécessite, sur de longues distances, des amplificateurs Transmission numérique transport d'un signal numérique nécessite, sur de longues distances, des répéteurs 23

24 La numérisation Avantages du numérique sur l'analogique facilités de stockage, de traitement et de restitution intégration (multimédia) faible taux d'erreur des liaisons numériques par rapport aux liaisons analogiques (répéteurs vs. amplificateurs) coût des composants (équipements) numériques inférieur à celui des composants analogiques La tendance traiter des données numériques et les véhiculer par un signal numérique (le tout numérique) Numérisation transformation d'un message analogique en un message numérique processus en 3 étapes : échantillonnage quantification codage 24

25 Échantillonnage Principe consiste à prélever périodiquement la valeur du signal analogique transformation d'un signal à temps continu en un signal à temps discret Théorème d'échantillonnage de Shannon L'échantillonnage d'un signal de fréquence maximum f max est sans perte si la fréquence d'échantillonnage est : F e 2 f max Pas d'échantillonnage : T e = 1 / f e 25

26 Quantification Principe consiste à représenter un échantillon par une valeur numérique appartenant à une échelle de quantification introduit une erreur de quantification (d'autant plus importante que le niveau de quantification est faible et que le pas de quantification est grand) utilisation d'échelles logarithmiques La quantification donne une suite de valeurs appartenant à un ensemble de cardinal fini 26

27 Codage Principe consiste à remplacer la suite d'échantillons quantifiés par une suite binaire s'il y a q = 2 n niveaux de quantification, il faut n bits pour coder toutes les valeurs possibles des échantillons quantifiés 27

28 Exemple de numérisation Codage MIC (Modulation par Impulsion et Codage) à 2 8 niveaux (256 niveaux) : application à la voix téléphonique support spectral de la voix téléphonique analogique : [300 Hz, 3400 Hz] échantillonnage correct (sans perte de qualité) au moins à 2*3400 Hz, valeur "arrondie" par la normalisation à 8000 Hz, soit un échantillon prélevé toutes les 125 µs échantillon codé sur 8 bits Il faut un débit de 64 kbit/s pour transférer de la voix numérique MIC 28

30 Codage en ligne Principe Le codage en ligne associe une représentation physique au message numérique 30

31 Débit binaire et rapidité de modulation Débit binaire (D b ) nombre maximum d'éléments binaires transmis par seconde T b étant la durée d'un élément binaire, on a D b = 1/T b bit/s Rapidité de modulation (R s ) vitesse à laquelle les symboles se succèdent T s étant la durée d'un symbole (et donc la durée d'un élément de signal), on a R s = 1/ T s bauds Valence (V) cardinal de l'alphabet des symboles r étant le nombre de bits codés par symbole, on a V = 2 r et donc r = log 2 V D = R s. r = R s. log 2 V 31

32 Débit binaire maximum Théorème de Nyquist Donne le débit binaire maximum en fonction de la bande passante du canal et de la valence du signal D max = 2 W log 2 V Où W est la largeur de la bande passante et V la valence du signal 32

34 Codage de l'information Définition Le but du codage de l'information est de transformer une chaine de bits représentant une information donnée en un signal (électrique, radio etc.) pour qu'il soit transmit a travers un canal de transmission et qui puisse être décoder à l'autre bout du canal Concrètement on cherche une représentation des 1 et des 0 Deux classes de codage Codage en bande de base Codage en modulation 34

35 Codage en bande de base Principe On transmet en bande de base, quand on transmet directement l'information codée sous forme d'un signal carré Utilisé sur les réseaux locaux relativement courtes distances Le signal est représenté par un voltage sur le câble qui peut être positif ou négatif généralement -5 v et +5 v 35

36 Code «tout ou rien» On code 0 par 0 volt 1 par + v volts 36

37 Code «bipolaire» On code 0 par 0 volts 1 par +v ou -v volts en alternance Permet de mieux distinguer les suites de 1 37

38 Code «NRZ» (No return to zero) On code 0 par -v volts 1 par +v volts Permet de mieux différencier les instants de silence et les suites de 0 38

39 Code «NRZI» (NRZ Inverted space) On code 0 par un changement de niveau (-v à +v) ou (+v à -v) 1 par une absence de changement 39

40 Code «RZ» (Return to zéro) On code 0 par 0 volts 1 par un front montant un impulsion au milieu du temps bit 40

41 Code biphasé (ou Manchester) On code 0 par un front montant 1 par un front descendant Plus facile à distinguer, il y a un changement de signe à chaque bit 41

42 Code Manchester différentiel On code 0 par un front inversé par rapport au cycle précédent 1 par un même front que le cycle précédent 42

43 Code Miller On code 0 par une absence de changement sur l intervalle si changement sur l intervalle précédent sinon changement 1 par un front montant ou descendant sur l intervalle 43

45 Transmission modulée Problématique Dans la transmission en bande de base, le signal se dégrade sur les longues distances Usage limité au réseau local Signal modulé Transformer un signal carré en signal sinusoïdal modulé Plus robuste aux dégradations Utilisation d un modem (modulateur - démodulateur) 45

46 Transmission modulée Modulation Transformer les propriétés d'un signal sinusoïdal pour y introduire de l'information On peut transformer l'amplitude la fréquence la phase 46

47 Modulation d'amplitude Représenter les symboles par des amplitudes distinctes Avantages Transporter un signal alternatif est moins coûteux (moins de perte) La modulation d'amplitude est un circuit électrique simple Désavantages Sensible à la perturbation (orage, ligne électrique...) 47

48 Modulation de fréquence Représenter les symboles par des fréquences distinctes Avantages Transporter un signal alternatif est moins coûteux (moins de perte) La modulation de fréquence est résistante aux perturbations (d'amplitude) Désavantage Système de démodulation moins trivial à concevoir. (la FM a vue le jour après la AM) 48

49 Modulation de phase Représenter les symbole par des phases différentes Avantages Les dispositifs de (dé)modulation de phase permettent de coder facilement plus de deux états La modulation de phase est résistante aux perturbations (d'amplitude) Désavantage Système de démodulation non trivial 49

50 Combiner les modulations Superposer les modulations Les transmissions modulées peuvent combiner plusieurs formes de modulations simultanées. Exemple 1 niveau de modulation d amplitude + 1 niveau de modulation de fréquence Permet de coder [0 1] en amplitude et [0 1] en fréquence En un temps d horloge, on peut transmettre 2 bits Qui code un des 4 valeurs (00, 01, 10, 11) Un signal de valence 4 50

51 Diagramme spatial Principe Représente les différentes combinaisons de modulation possible en amplitude et en phase Normalisé pour les UITT Valence de 8 (3 bits par top) 2 niv. amp. x 4 niv. de pha. Rapidité de modulation 1200, 2400 bauds Débit binaire : 3600, 7200 bit/s Valence de 16 (4 bits par top) 8 niv. Pha. + (4 niv. Pha. x 2 niv. Amp.) Rapidité de modulation 2400, 3200 bauds Débit binaire : 9600, bits/s 45 o 15 o 51