Chap17 : Numérisation et transmission de l information

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1 1. transmission de l information Pour les quatre chaines de transmission : quel type d information est transféré? quel type de signal est utilisé pour transmettre l information quel est le support de l information? résumez par un schéma L information se propage-t-elle plus vite dans l air ou dans une fibre optique? Des câbles de cuivre aux fibres optiques, en passant par les ondes hertziennes, notre capacité à transmettre des informations, plus vite et sur de plus longueurs distances, est probablement la principale raison des progrès de notre «civilisation technologique» La propagation d un signal dans une fibre optique (propagation guidée) va-t-elle plus vite que la propagation d un signal dans l air (propagation libre)? On cherche à mesurer la vitesse de propagation d une information dans une fibre optique, puis la comparer à celle obtenue dans l air. Dispositif TS- Mme GARCIA 1/11

2 1. Rappeler pourquoi la lumière peut se propager à l intérieur d une fibre optique. 2. Selon vous, l information se propage-t-elle plus vite dans une fibre optique ou à l air libre? justifier 3. Mesures On a représenté l allure de l oscillogramme observé. Mesurer les valeurs des périodes des deux signaux observés En déduire si la propagation dans la fibre optique modifie la valeur de la période du signal électrique envoyé. 1 signal émis 2. signal reçu A. fibre 5 m B. fibre 25m A B Calibre 2 s/cm 4. Les deux signaux sont-ils superposables? 5. Mesurer les valeurs des durées correspondant à ces retards pour deux fibres de longueurs différentes (5 m et 25 m) 6. Proposer une méthode permettant de déduire la valeur de la vitesse de propagation du signal dans la fibre optique. 7. Après avoir rappelé la valeur de la célérité de la lumière dans l air, la comparer à la vitesse dans la fibre. Vos résultats sont-ils en accord avec votre réponse à la question Pourquoi l emploi des fibres optiques est néanmoins privilégié par rapport aux transmissions par ondes radio? TS- Mme GARCIA 2/11

3 Le milieu de propagation a-t-il une influence sur la transmission du signal? Doc 1 : les différents types de fibres optiques : mode de transmission Doc 3: Affaiblissement de la lumière en fonction de la longueur d onde de la source Les émetteurs utilisés sont de trois types: - Les LED Light Emitting Diode qui fonctionnent dans l'infrarouge (850nm). C'est ce qui est utilisé pour le standard Ethernet FOIRL. - Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300nm - Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est 1310 nm ou 1550nm TS- Mme GARCIA 3/11

4 On considère que si la puissance du signal reçu est supérieure à 1% de la puissance habituelle initialement injectée dans la fibre cela suffit pour le détecter et le lire. Déterminer sur quelle distance en utilisant une lumière de 1300 nm, on pourra transmettre l information par fibre optique. 2. Qu est ce qu un signal? ( jusqu à 5 min) Un signal est la représentation physique d une information (température, heure, pression ). Pour transmettre un signal d un lieu à un autre on utilise une chaîne de transmission composée : - d un encodeur - d un canal de transmission (émetteur, milieu de transmission, récepteur) - d un décodeur Exemple : Lors d un appel téléphonique : Canal de transmission Signal sonore Signal sonore Signal électrique 1. Le micro (encodeur) d un téléphone analogique convertit le signal sonore en signal électrique. Émetteur 2. Une ligne téléphonique (ligne filaire) achemine le signal électrique vers un autre téléphone analogique. Récepteur 3. Le haut parleur (décodeur) de ce dernier téléphone convertit le signal électrique en signal sonore. Dans cet exemple, le signal sonore émis, le signal reçu, ainsi que le signal électrique circulant dans le fil sont des signaux analogiques car ils varient de façon continue dans le temps. TS- Mme GARCIA 4/11

5 Le son est une variation de pression continue dans le temps. Le signal électrique fabriqué par le micro varie aussi de manière continue. Signal analogique et signal numérique? Définitions : Un signal analogique.. Un signal numérique. Signal analogique Signal numérique Exemples : Enregistrement analogique : Lorsqu un chanteur chante dans un micro, ce dernier convertit le signal sonore analogique en une tension électrique analogique. Enregistrement numérique : Figure 3 : Cassettes Si le même chanteur enregistre son chant sur un ordinateur via un microphone, l ordinateur convertit le signal électrique en un signal numérique qui sera stocké sous la forme d un fichier audio numérique. 3. Numérisation d un signal Pour convertir un signal analogique en signal numérique il faut le numériser. Cette numérisation est faite par un Convertisseur Analogique-Numérique (C.A.N.). Les ordinateurs ne traitant que des données binaires (0 ou 1), pour numériser un signal, il faut discrétiser les informations : on parle de numérisation. Ces informations sont ensuite traduites en binaire, c'est-à-dire en ensemble de 0 ou de 1. TS- Mme GARCIA 5/11

6 1. Combien d étape pour numériser un signal? 2. De quel(s) paramètre(s) le signal numérique peut-il dépendre afin de ressembler le plus possible au signal analogique? TS- Mme GARCIA 6/11

7 TP Numérisation d un signal Ecoutez le son du la (440Hz) à l aide d un diapason et le son du la (440 Hz) via audacity. Le premier signal est analogique et le deuxième est numérique. Comment passer de l un à l autre en gardant la même qualité sonore? I. Echantillonnage ( feuille excel) Pour numériser un signal, il faut le découper en échantillons («samples» en anglais) de durée égale T e. La fréquence d échantillonnage correspond au nombre d échantillons par seconde : F e = 1/T e Plus la fréquence d échantillonnage sera grande, plus le nombre d échantillons sera grand, plus le signal numérique «collera» au signal analogique et donc meilleure sera la numérisation : Conclusion : Théorème de Shannon Pour numériser convenablement un signal, il faut que la fréquence d'échantillonnage soit au moins deux fois supérieure à la fréquence du signal à numériser. Expliquer pourquoi les sons des CD sont échantillonnés à 44,1 khz. La voix humaine est comprise dans une bande de fréquence comprise entre 100 et 3400 Hz. Quelle fréquence d échantillonnage doit-on choisir pour la téléphonie? TS- Mme GARCIA 7/11

8 Deux idées à retenir sur le choix de la fréquence d échantillonnage : Il faut choisir F E de manière.. Une fréquence F E trop faible enlève l information portant sur.. Ordres de grandeurs : Type de support de sons CD audio DVD Téléphonie Radio numérique F E choisie 44,1 khz 48 khz 8 khz 22,5 khz Influence de la fréquence d échantillonnage sur les hautes fréquences lancer le logiciel Audacity (voir notice ci-jointe), et ouvrir son 2 (fréquence d échantillonnage 44kHz) et son 2 bis (8000 Hz). Ecouter.. Réaliser une analyse spectrale. Que remarque-t-on? (plus flagrant avec le son «accords») Ré-échantillonner le son 2bis (8000hz) en 44kHz (pistes ; rééchantillonner). Le son est-il meilleur maintenant? II. Quantification Présentation de la quantification Lors de la numérisation, il faut également discrétiser les valeurs de l amplitude du signal. La quantification consiste, pour chaque échantillon, à lui associer une valeur d amplitude. Cette valeur de l amplitude s exprime en «bit» et l action de transformer la valeur numérique de l amplitude en valeur binaire s appelle le codage. Qu est-ce qu un bit? Un «bit» (de l anglais binary digit) est un chiffre binaire (0 ou 1) Avec 2 bits, on peut écrire : 00, 01, 10 et 11 soit 4 valeurs. (4 = 2 2 ) Avec 3 bits, on peut écrire : 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 soit 8 valeurs (8 = 2 3 ) Avec 4 bits, on peut écrire 2 4 =... valeurs Avec n bits, on peut écrire... valeurs Conversion d un nombre binaire en nombre décimal : un exemple vaut mieux qu un long discours : Que vaut l octet (ensemble de 8 bits) en décimal? = 128 = 64 = 32 = 16 = 8 = 4 = 2 = 1 Octet = somme de: 1 x x 64 1 x 32 1 x 16 0 x 8 0 x 4 1 x2 0 x 1 Ici = 1x x64 + 1x32 + 1x16 + 0x8 + 0x4 + 1x2 + 0x1 = 178 Avec une quantification de 16 bit (soit une séquence binaire de 16 zéros ou un), de combien de valeurs dispose-t-on pour traduire l amplitude du signal dans chaque échantillon? TS- Mme GARCIA 8/11

9 Même question avec une quantification de 8 bit (soit une séquence binaire de 8 zéros ou un). Plus la quantification est grande, plus l amplitude du signal numérique sera proche de celle du signal On s intéressera à présent aux trois graphes présents sur la feuille Excel : - Signal analogique - Signal échantillonné - Signal numérisé Questions : a. Pour une fréquence de 1000 Hz, qu arrive-t-il au signal numérisé lorsqu on augmente le pas? b. Quel en est la conséquence sur la qualité du son numérisé? Justifier. c. En jouant avec la fréquence d échantillonnage et le pas, conclure sur les paramètres importants d une numérisation de qualité. d. Déterminer sur la feuille Excel le nombre de valeurs possibles ainsi que le nombre de bits nécessaires pour une numérisation sur une plage d entrée de 1,0 V et un pas de 0,5 V, puis justifier ces valeurs lues. e. Sur quels paramètres peut-on jouer pour augmenter la résolution d une quantification? Influence de la quantification sur la qualité d un son Ouvrir Audacity et les fichiers : piano_44khz_16bits.wav piano_44khz_8bits.wav Que remarque-t-on lorsque l on réduit la quantification? En résumé : L échantillonnage consiste à prélever périodiquement des échantillons d un signal analogique. La quantification consiste à affecter une valeur numérique à chaque échantillon prélevé. Plus la fréquence d échantillonnage et la quantification sont grandes, meilleure sera la numérisation. Alors pourquoi se restreindre au niveau de ces valeurs? III. Choix des critères de numérisation : taille d un fichier son Pour transmettre l information, on est aussi limité par le débit de données ( nbr de bits transmis par unité de temps) : D = N / ΔT N en bit, ΔT en s, D en bit/s TS- Mme GARCIA 9/11

10 Questions : a. D après la feuille Excel, de combien de bits le CAN doit-il disposer pour quantifier avec un pas de 0,1 V? b. Montrer qu avec un bit de moins, il est bien impossible de stocker autant de valeur. c. Pour un pas de 0,2 V on obtient les valeurs discrètes suivantes : Valeurs -1,0-0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Evénement Binaire Montrer en complétant ce tableau qu il faut bien 4 bits pour quantifier toutes ces valeurs. d. Sachant qu un son enregistré sur un CD audio est quantifié sur 16 bits, déterminer le nombre de pas disponibles lors de la numérisation d un son analogique sur un tel support. e. Conversion du nombre binaire en nombre décimal : f. Régler la fréquence d échantillonnage sur 100 Hz et le pas sur 0,2 V. A l aide de la grandeur «Octets par minute» affichée à l écran déterminer le nombre de bits nécessaires pour stocker une telle numérisation sur une durée d une minute. g. Combien de mesures sont effectuées chaque seconde par le CAN réglé à une fréquence de 100 Hz? h. Combien de bits sont nécessaires pour stocker chaque mesure avec un pas de 0,2 V? i. En déduire le nombre de bits nécessaires par seconde, puis par minute. Retrouve-t-on le même résultat qu à la question f.? j. Soit N le nombre de bits prévus pour la quantification et soit F la fréquence de l échantillonnage, déterminer la formule permettant de calculer le nombre d octets noté NBO nécessaires pour numériser 1 minute de son. TS- Mme GARCIA 10/11

11 k. Pour le stockage de données, il existe une autre façon de quantifier les volumes : c est les préfixes binaires. Préfixes binaires Préfixes classiques 1 kibioctet (kio) 1024 octets 1 kilooctet (ko) 1000 octets 1 Mébioctet (Mio) 1024 kio 1 Mégaoctet (Mo) 1000 ko 1 Gibioctet (Gio) 1024 Mio 1 Gigaoctet (Go) 1000 Mo 1 Tébioctet (Tio) 1024 Gio 1 Téraoctet (To) 1000 Go Montrer qu un disque dur de 320 Go ne contient que 298 Gio A noter : Sous Windows, ces 298 Gio seront notés «298 Go». Ce système d exploitation ne respecte donc pas la norme en vigueur. Compétences exigibles 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. Savoir que pour numériser un son par exemple, on doit choisir la fréquence d échantillonnage ( fe= 2xf), choisir un nbr de bits nécessaires ( n bits = 2 n valeurs). TS- Mme GARCIA 11/11