AGIR Transmettre et stocker l information Chapitre 4 : L INFORMATION

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1 THEME Sous-thème AGIR Transmettre et stocker l information Chapitre 4 : L INFORMATION NOTIONS ET CONTENUS Chaîne de transmission d informations Images numériques Caractéristiques d une image numérique : pixellisation, codage RVB et niveaux de gris. Signal analogique et signal numérique Conversion d un signal analogique en signal numérique. Echantillonage ; quantification ; numérisation. Procédés physiques de transmission Propagation libre et propagation guidée. Transmission : par câble / par fibre optique (notion de mode) / par transmission hertzienne. Débit binaire. Atténuations. Stockage optique Ecriture et lecture des données sur un disque optique. Capacités de stockage. COMPETENCES ATTENDUES - Identifier les éléments d une chaîne de transmission d informations. - Recueillir et exploiter des informations concernant des éléments de chaînes de transmission d informations et leur évolution récente. - Associer un tableau de nombres à une image numérique. - Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un capteur (caméra ou appareil photo numériques par exemple) pour étudier un phénomène optique. - Reconnaître des signaux de nature analogique et des signaux de nature numérique. - Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un échantillonneurbloqueur et/ou un convertisseur analogique numérique (CAN) pour étudier l influence des différents paramètres sur la numérisation d un signal (d origine sonore par exemple). - Exploiter des informations pour comparer les différents types de transmission. - Caractériser une transmission numérique par son débit binaire. - Evaluer l affaiblissement d un signal à l aide du cœfficient d atténuation. - Mettre en œuvre un dispositif de transmission de données (câble, fibre optique). - Expliquer le principe de la lecture par une approche interférentielle. - Relier la capacité de stockage et son évolution au phénomène de diffraction. I. La chaîne de transmission d informations. SOMMAIRE II. III. Le codage de l information. 1. La numérisation. 2. Cas des images numériques. 3. Stockage optique. La transmission d informations. 1. Procédés physiques de transmission. 2. Atténuation d un signal. 3. Le débit binaire. www2.ac-lyon.fr/enseignant/physique/phychi2/spip.php?article723 Activité documentaire : Activité expérimentale : ACTIVITE Informations et chaînes de transmission Codage d une image numérique Analogique ou numérique? Les Convertisseurs Analogiques-Numériques Les supports de propagation d informations 5 ; 7 ; 8 ; 29 ; 31 p EXERCICES MOTS CLES Chaîne de transmission (encodeur : CAN ; canal de transmission : atmosphère/câble électrique/fibre optique ; décodeur : CNA), signal analogique, signal numérique, bits, échantillonnage, quantification, pixel, résolution, stockage optique, capacité de stockage, propagation libre, propagation guidée, atténuation signal, débit binaire. M.Meyniel 1/8

2 L INFORMATION Dans tous les cours de physique, nous nous sommes attachés à observer et comprendre les phénomènes qui nous entourent. Nous avons pu étudier les lois qui permettent de régir nos observations, les mouvements constatés et relier de manière quantitative les énergies mises en jeu. Et toutes ces études ont mis en avant l importance du temps, paramètre dont on ne peut s affranchir et qui légifère nos évolutions. Or, un des défis majeurs de l Homme réside dans la communication, dans la transmission d informations. Comment l Homme peut-il connaître sa position presque immédiatement par GPS? Comment une photographie peut se retrouver en quelques secondes à l autre bout du monde? C est tout l objet de ce cours, comprendre l action de l Homme au cours du temps afin de toujours communiquer plus vite, plus d informations. I. La chaîne de transmission d informations. Une information est un élément de connaissance codé à l aide de règles communes à un ensemble d utilisateurs (langages, écritures, images, sons, ). Une chaîne de transmission d informations est l ensemble des éléments permettant de transférer de l information d un lieu à un autre. Elle comporte : - un encodeur, - un canal de transmission composé de l émetteur, du récepteur, du milieu de transmission et de l information transmise, - un décodeur. Information à transmettre Information codée Information reçue Information décodée CAN Emetteur Milieu de propagation Récepteur CNA Suivant le milieu de transmission, les signaux sont de nature et/ou de fréquences différentes : * atmosphère : sons ( f = [20 ; Hz] ), ultrasons ( f > Hz ), OEM ; * câble électrique : signaux électriques en tension ou en courant ; * fibre optique : OEM (visible λ ϵ [400 ; 800 nm], IR λ > 800 nm, ). Document 1 : Les techniques de transmission Elles se sont développées au milieu du XX ème siècle avec l avènement de l électronique : - l électronique a permis la miniaturisation des dispositifs ; - le développement de l informatique a permis de coder tous les types d informations vidéos, sonores, texte, et de les transmettre par les mêmes procédures et mêmes réseaux ; - le passage du fil de cuivre à la fibre optique a permis d améliorer la qualité et le débit des transmissions, - la téléphonie mobile, le Wi-Fi, le Bluetooth ont permis de s affranchir des liaisons filaires. M.Meyniel 2/8

3 II. Le codage de l information. 1. La numérisation. En tout début d année, nous avons vu que les capteurs convertissent la valeur d une grandeur physique (pression, température, vecteur-vitesse, ) en un signal électrique (tension ou intensité) qui reste analogique. Le signal analogique est un signal variant continûment dans le temps. s Ex : Tension électrique analogique associée à une onde acoustique comme celle d un microphone t (s) Au contraire, un signal numérique varie de façon discontinue dans le temps. s Ex : La TNT (télévision numérique terrestre) repose sur des signaux numériques. t (s) En informatique, les signaux sont codés par des nombres. Les informations varient donc de façon discrète et non continue. Un fichier numérique est une succession de nombres binaires appelés «bits». (abréviation de «binary digit») Ex : Un fichier MP3 est simplement une succession de nombres 0 et 1 que le lecteur MP3 peut traiter par la suite : t (s) Rq : * Chaque bit peut prendre la valeur 0 ou 1. Un octet est un ensemble de 8 bits qui permet de coder 2 8 entiers, de 0 à 255. Les valeurs prises sont bien définies et en nombre limité, l information est discontinue. * Le nombre de bits constituant un fichier numérique est généralement très grand : ko (kilooctet), Mo (mégaoctet = 10 6 octets), Go (gigaoctet = 10 9 octets) M.Meyniel 3/8

4 Terminale S_Thème 3_AGIR : LES DEFIS DE DEMAIN Document 2 : Principe de la numérisation En informatique, seule la lecture de nombres discontinus est réalisée par un ordinateur. Or, le monde qui nous entoure est décrit par des grandeurs continues. Il convient donc de transformer un signal analogique (donc continu) en un fichier numérique (= discontinuité de nombre) pour que l ordinateur puisse réaliser le traitement de l information. Cette transformation est réalisée par un convertisseur analogique-numérique «CAN». La conversion du signal analogique en signal numérique doit bien évidemment se faire le plus fidèlement possible malgré la perte de continuité dans l information. Pour cela, on procède à un découpage le plus fin possible du signal analogique : * l échantillonage permet de séquencer le signal au niveau du temps. Il faut que la fréquence d échantillonnage «fe = 1 / Te» soit bien plus grande que la fréquence propre f0 du signal sinon le fichier numérique ne pourra retranscrire les variations temporelles. * la quantification d attribuer une valeur numérique à chaque échantillon. Plus le nombre de niveaux quantifiés est élevé, plus la valeur sera proche de celle du signal analogique. Or, le nombre de niveaux est de 2N avec N le nombre de bits (cf échelle verticale codant pour 4 bits). Plus N est grand, plus la quantification sera de qualité. On caractérise la quantification par son pas = 1 / 2N, qu il faut le plus petit possible pour une la meilleure qualité. Rq : * Dans tous les cas, la gamme du CAN (= [amplitude min ; amplitude max]) doit être sélectionnée de façon à contenir tout le signal en l encadrant au plus près. Ex : Numérisation d un son Le code correspondant que reçoit l ordinateur est donc : 0010, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1001, 1001, 1001, 1001, 1000, 1000, 0111, 0111, 0111, 0110, 0110, 0110, Dans la réalité le codage se fait sur 8 bits = 1 octet (256 niveaux possibles) ou 16 bits = 2 octets (65736 niveaux possibles). La qualité de la numérisation, ou conversion analogique-numérique, est d autant plus grande que : - la fréquence d échantillonnage fe = 1 / TE est élevée ; - le pas de quantification p = 1 / 2N est petit (soit N très grand). M.Meyniel 4/8

5 Document 3a : 2. Cas des images numériques. Numérisation des images Un appareil photographique numérique ou un scanner assure la numérisation des images. Pour cela, il découpe l image en un quadrillage (ou trame) et chaque case correspond à un pixel (contraction de «picture element»). Chaque pixel est alors codé par un nombre binaire correspondant à la couleur de la case. L ensemble des codes de chaque case constitue le fichier numérique associé à l image. * Codage en niveau de gris (communément appelé «en noir et blanc») : Chaque pixel de l image est affecté d un nombre binaire de N bits variant entre 0 (noir) et 2 N -1 (blanc). Ex : Pour un octet, il y a alors 2 8 = 256 niveaux de gris possibles! * Codage RVB (en «couleur» ou en «Rouge Vert Bleu») : Chaque pixel de l image est affecté de 3 nombres de N bits pour coder chacune des trois couleurs primaires en synthèse additive : le rouge, le vert et le bleu. La superposition relative de ces 3 couleurs permettra alors d obtenir la couleur codée. Ex : Si chacune des 3 couleurs primaires d un pixel est codée par 1 octet, le nombre de couleurs possibles par pixel vaut ( ) soit 16, couleurs possibles!!! Rq : * Il existe de nombreux types de fichiers informatiques associés aux images numériques avec compression des données. Document 3b : Résolution et taille des images * Résolution ou définition : Comme pour la numérisation d un signal analogique, plus le quadrillage de l image est petit, plus le codage sera fidèle. En d autres termes, plus le nombre de pixel est grand, meilleure sera la résolution de l image. La précision de la numérisation s exprime en dpi (dot per inch [ou «ppp» point par pouce en français]). Il s agit du nombre de pixel par pouce (1 pouce = 2,54 cm). Ex : La numérisation d une feuille A4 (21,0 cm 29,7 cm) en 300 dpi correspond à une trame de : Rq : * La reproduction d une image sur un écran est effectuée par l allumage indépendant de chaque pixel. En réalité, chaque pixel d un écran est divisé en 3 cellules lumineuses : 1 rouge, 1 verte et 1 bleue. La résolution de l écran détermine la qualité de l image. * Dans le cas d une impression sur papier, la reproduction se fait point par point. La qualité dépend de la résolution de l imprimante qui s exprime en dpi comme un écran. * Taille d une image : Exp : Cf ppté écran d ordi pour résolution Cf choix couleur doc word pour codage RVB 8 bits C est la place qu occupe le codage de tous les pixels = (résolution nombre d octets par pixel). En niveaux de gris, il y a 1 octet par pixel contre 3 pour le codage en couleurs. Une image en «noir et blanc» occupe alors 3 fois moins de place. En réalité, la taille comprend quelques octets supplémentaires pour coder le format, le nombre de lignes, de colonnes, le nom du fichier M.Meyniel 5/8

6 3. Stockage optique. Un disque optique stocke les informations par une succession de creux (les alvéoles ou pits) le long d une piste de forme spirale sur une surface de polycarbonate (la plaine ou land). La lecture se fait à l aide d un faisceau LASER. La lumière réfléchie par le disque est alors récupérée par une photodiode qui permet de convertir le signal lumineux en signal électrique. La profondeur des trous est choisie de telle sorte que l onde lumineuse réfléchie par la plaine et celle réfléchie par une alvéole sont en opposition de phase. Les interférences sont alors destructives entre ces deux ondes lors du passage d une alvéole à la plaine ou l inverse. Lors de la détection d interférences destructives un nombre binaire 1 est attribué. En dehors, l information reste 0. Ainsi, on obtient une suite de nombres binaires codant l information portée par le disque : λ /4 Rq : * La profondeur d une creux vaut : * Capacités de stockage : Lorsque le faisceau laser arrive sur la surface réfléchissante du disque, il subit une diffraction de diamètre proportionnel à sa longueur d onde λ. Plus la diffraction est limitée, plus les sillons codant l information sur le support peuvent être proches. En d autres termes, plus la longueur d onde λ du LASER est courte (phénomène de diffraction restreint), plus la capacité de stockage d information sur le support est grande. Ex : La capacité de stockage pour un CD (λ = 780 nm) est de 700 Mo, celle pour un DVD (λ = 635 nm) de 4,7 Go et celle pour un Blu-ray (λ = 405 nm) de 25 Go. CD DVD Blu-Ray Rq : * Pour écrire les données, on distingue les disques pressés (dans l industrie, les données sont stockées sous forme d alvéoles creusées) et les disques gravés (par un ordinateur par exemple ; les données sont déposées sous forme de zones opaques à la place des alvéoles. C est pourquoi, il existe des CD-RW et DVD-RW, c est-à-dire ré-écrivables, sur lesquels une impulsion laser change l état physique de la couche photosensible pour la rendre de nouveau transparente avant une nouvelle gravure.) La lecture pour les CD gravés ne se repose plus sur le phénomène interférentiel mais par différence de réflexion (les zones opaques absorbant le faisceau lumineux). M.Meyniel 6/8

7 Terminale S_Thème 3_AGIR : LES DEFIS DE DEMAIN III. La transmission d informations. v=λ/t=λ.f 1. Procédés physiques de transmission. Document 4 : Procédés physiques de transmission La propagation des informations peut se faire de deux façons générales : * la propagation libre : Elle se fait via des OEM dites hertziennes (de fréquence ν ϵ [105 ; 1011 Hz]) envoyées dans toutes les directions de l espace par des antennes. Ce mode de propagation présente le gros avantage d être recevable par un récepteur mobile! Cependant, comme il n y a pas de canal de transmission physique mais une bande de fréquence dite bande passante, chaque émetteur se voit attribuer un canal qui ne doit pas se recouper avec un autre sous peine d interférences et détérioration de l info transmises. Cela concerne les émissions radio, télévisuelle ou encore la téléphonie mobile. La radio, la télévision et la téléphonie mobile se partagent le domaine des fréquences hertziennes avec chacun son domaine bien déterminé. Ainsi, les émissions de radio de la bande FM sont diffusées sur des fréquences comprises entre 87,5 et 108 MHz ; les émissions télé entre 200 et 800 MHz ; la téléphonie mobile GSM (Global System for Mobile communications) 4G : débit proche de 100 Mb/s GSM ou 2G : 1800 b/s autour de 900 MHz. Néanmoins, le nombre de bandes de fréquences arrivant à saturation, la France est passée en 2011 à la TNT qui utilise des bandes de fréquences plus étroites. Bluetooth : procédé inventé par Ericsson en 94. But : unifier industrie télécom & info comme roi Harald Ier Blutand qui a unifié Scandinavie en 940 et fan de myrtille! * La propagation guidée : Elle se fait via : Exp : câble coaxial + fibre optique + câble à paire torsadée - des câbles électriques : technique privilégiée pour les distances courtes pour des signaux électriques. Les câbles peuvent être torsadés (installations téléphoniques, réseaux locaux = câble éthernet) ou coaxiaux (grâce à son blindage, le transport de l information sur de longues distances à haut débit devient possible car il permet de limiter les interactions magnétiques avec l extérieur). - des fibres optiques : les informations sont transmises via des OEM visibles ou proches du visible. Elles se propagent sur de très longues distances dans le cœur de la fibre par réflexion totale sur la gaine et à très grande vitesse. [ γ-rays X-rays UV Visible ; ] IR microwave radio waves (FM / / AM) Rq : * Un câble haut-débit peut contenir jusqu à 50 paires de fibres transportant chacune jusqu à signaux à la fois, le tout à une vitesse proche de m.s-1 (soit 5 tours du monde en 1 seconde!). * Dans les fibres optiques, du fait des réflexions, les radiations parcourent un trajet plus long que la fibre optique. Or, des radiations émises simultanément peuvent avoir des trajets différents et donc des temps de parcours différents. Le signal de sortie est alors dégradé par rapport au signal d entrée car il s étale dans le temps. De nos jours, on utilise alors des fibres multimodales à gradient d indice pour limiter ce problème ou encore des fibres monomodales pour les réseaux sous-marins dont le cœur est très fin limitant ainsi le nombre de réflexion et donc l étalement du signal. * Un même canal transportant plusieurs informations ; on parle de multiplexage (plusieurs chaines de la TNT sont transportées à la même fréquence, multiplicité des signaux du net, ), il est indispensable que le receveur puisse séparer ces différents signaux afin de récupérer l information souhaitée. C est pourquoi, l émetteur aura préalablement codé les informations de façons singulières (en fréquence ou en amplitude) ; le recéveur décodera avec son convertisseur numériqueanalogique que l information désirée et laissera sans suite les autres signaux du canal utilisé. M.Meyniel 7/8

8 Les différents canaux de transmission Type de transmission Transmission hertzienne Câble Fibre optique Procédé physique transmission libre transmission guidée transmission guidée Vecteur de l information Ondes hertziennes (10-3 m ; 10 4 m) Ondes électriques Ondes lumineuses ou infrarouges 2. Les deux qualités d une transmission d informations : atténuation & débit L atténuation d un signal : Lors de sa propagation, tout signal s affaiblit ; il est atténué. Puisqu il subit des phénomènes d absorption et de diffusion. * La puissance reçue par rapport à la puissance émise décroît de façon exponentielle avec la distance L séparant l émetteur du récepteur. On exprime alors l atténuation comme le rapport logarithmique des puissances émise P E et reçue P R : A = 10 log ( P E P R ) A s exprime alors en décibels (db) * Cette atténuation dépend notamment de la longueur L du câble ou de la fibre reliant l émetteur du récepteur. En pratique, on utilise le coefficient d atténuation linéique α (en db.m -1 ) : α = A = 10 log ( P E ) L L P R Rq : * Un câble coaxial utilisé pour l installation des antennes satellites peut avoir un coefficient d atténuation de 0,2 db/m. Une fibre optique, pour des radiations IR, peut présenter un coefficient proche de db/m. Ces différences de coefficient justifient que l on privilégie les fibres optiques pour les télécommunications sur grandes distances en plus de la rapidité de la propagation. Le débit binaire d un signal : Le débit binaire D caractérise les transmissions numériques en mesurant la quantité de données numériques transmises par unité de temps : D = N / t avec N le nombre de bits Rq : * Le débit trouve ses limites par la cadence avec laquelle les signaux sont émis par l encodeur (limitation due, entre autres, à la bande passante) et lus par le décodeur. Compétences - Identifier les éléments d une chaîne de transmission d informations. - Recueillir et exploiter des informations concernant des éléments de chaînes de transmission d informations et leur évolution récente. - Associer un tableau de nombres à une image numérique. - Reconnaître des signaux de nature analogique et des signaux de nature numérique. - Exploiter des informations pour comparer les différents types de transmission. - Caractériser une transmission numérique par son débit binaire. - Evaluer l affaiblissement d un signal à l aide du cœfficient d atténuation. - Expliquer le principe de la lecture par une approche interférentielle. - Relier la capacité de stockage et son évolution au phénomène de diffraction. - Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un capteur (caméra ou appareil photo numériques par exemple) pour étudier un phénomène optique. - Mettre en œuvre un protocole expérimental utilisant un échantillonneur-bloqueur et/ou un convertisseur analogique numérique (CAN) pour étudier l influence des différents paramètres sur la numérisation d un signal (d origine sonore par exemple). - Mettre en œuvre un dispositif de transmission de données (câble, fibre optique). M.Meyniel 8/8