Chapitre 18 : Numérisation, transmission et stockage de l'information

Rendre la transmission d'informations rapide, simple et efficace est un enjeu crucial du XXIème siècle. Laphysique joue un rôle majeur dans cette évolution technologique.

Activité introductive : Chaîne de transmission d'information. L'information doit dans un premier temps être numérisée (encodée) puis transmise par différent moyenselon le type de signal et enfin être décodée voir stockée par le destinataire.

➢ A l'aide des documents p516 réaliser la chaîne de transmission pour le téléphone filaire et pour letéléphone cellulaire.

I- Numérisation de l'information :

1- Signal analogique et signal numérique :

La plupart des grandeurs (température, pression, intensité de la voix...) dans le monde qui nous entoureévoluent de manière continue. Ces informations sont converties en signaux électriques par l'intermédiairede capteurs . Il en existe deux catégories : Les signaux analogiques qui varient de façon continue dans le temps. Les signaux numériques qui transportant une information sous la forme de paliers (discontinue). Unsignal numérique est une succession de « 0 » (tension nulle) et de « 1 » (tension non nulle) appelés bits(BInary digiT).

➢ Exemple : Analogique et numérique ?

Téléphone en pots de yaourt Télégraphe et alphabet de Morse Poste de radio FM et AM

Indien créant des signaux defumée Transmission wifi

2- Conversion analogique-numérique : Les ordinateurs ne traitent que des informations numériques, codées dans un langage binaire (0 et 1), il estdonc nécessaire de convertir le signal à l'aide d'un CAN (convertisseur analogique-numérique). On parlealors de numérisation du signal qui se fait en 2 étapes.

● 1ère étape : l’échantillonnage : L'échantillonnage est la prise de mesures d'une tension à intervalles de temps donnés, notés Te, périoded'échantillonnage.

1

→ Répondre aux questions en utilisant l'animation : http://www.ostralo.net/3_animations/swf/echantillonnage.swf

a- On appelle la fréquence de l'échantillonneur : fréquenced'échantillonnage, que l'on note fe. Proposer une définitionde cette grandeur. b- Sur le document 1, la fréquence d'échantillonnage est-elle adaptée à la conversion du signal périodiquesinusoïdal ?c- Pour approcher au mieux ce signal, comment faut-ilchoisir la fréquence d'échantillonnage ? d- Quel inconvénient cela présente-t-il pour la taille dufichier ?

➢ Exercice : (Extrait bac Asie 2013) On areprésenté sur le document 2 le son issu d'un microqui a permis l'enregistrement sur un CD et sur ledocument 3 la tension après échantillonnage pourêtre gravée sur le CD.

→ Déterminer la fréquence d'échantillonnage.

● 2ème étape : la quantification :La quantification consiste à associer à chaque valeur de la tension retenue après échantillonnage unnombre binaire constitué de « 0 » et de « 1 ».

a- Combien de nombres binaires différents peut-on écrire avec 1 bit ? b- Avec 2 bits ? 3 bits ?c- Généralisation : Quelle est la quantité de nombres binaires possibles, appelée résolution R, possiblesi l'on code avec N bits ?

L'intervalle de tension qui existe entre deux valeurs numériques binaires successives est appelé le pas dequantification (plus petite tension convertible). Pour le déterminer, on divise l'intervalle dans lequel sontcomprises les valeurs de tensions par la résolution R.

➢ Exemple : Une tension évolue de 0 à 6V, elle est codée en 3 bits. Déterminer le pas de quantification.

Bilan : Quels sont les paramètres du convertisseur analogique-numérique à prendre en considération pour

avoir un signal numérique le plus ressemblant au signal analogique de départ ?

2

3- Numériser une image :

Complément d'information : On assimile 1ko à 1kio=210octets.

a- Qu'est ce qu'un octet ? b- Qu'est ce qu'un pixel ? Dans quel cas dit-on que l'image est « pixelisée » ?c- Rappel de 1ère : comment est composé un pixel ? (Faire un schéma).d- Calculer le nombre exact de couleurs possibles lorsque chacune des trois couleurs de base est codée surun octet.e- Comment coder un pixel noir ? Un pixel blanc ? f- Quel est le nombre total de pixels de l'image en couleur dont les caractéristiques sont données par ledoc1 (les dimensions sont en pixels) ?g- Quelles sont les dimensions en octet du tableau de nombre numérisant cette image ?h- Retrouver l'ordre de grandeur de la taille du fichier. (Voir encadré : « Attention »)i- Calculer la largeur et la hauteur de l'image affichée à l'écran, si la résolution est de 72dpi.

II- Transmission de l'information :

1- Mode de transmission : ➢ Activité p540-541 : Communiquer, une question de réseau...

2- Atténuation du signal :Lors de sa propagation, tout signal est atténué (affaiblit). La puissance du signal diminue de manière

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Attention !!!

En informatique, on compte en langage binaire et donc les multiples des unités ne sont pas kilo, méga,giga mais kibi, mébi, gébi …

Normalement : 1 kilooctet = 1000 octets et 1kibioctet = 210 = 1024 octets. Cependant par abus delangage, on assimile très souvent le kibioctet au kilo-octet.

→ Il faut s'adapter à ce qui est donné dans l'énoncé. Dans les énoncés du bac on donne toujours lacorrespondance : 1ko=210octet par exemple.

Nom kibioctet mébioctet gébioctet tébioctet

Symbole Kio Mio Gio Tio

Valeur (en octet) 210 220 230 240

exponentielle avec la distance L séparant l'émetteur et le récepteur, c'est pourquoi on utilise une échellelogarithmique pour mesurer l'atténuation.

A=10 log (P e

P s

)

A : atténuation en dB (décibel), Pe : puissance à l'entrée du câble et Ps : puissance en sortie du câble.

Bien entendu, plus la distance à parcourir (L) est grande, plus l'atténuation sera importante. Pours'affranchir de cette distance et comparer les milieux de propagation/les types de câbles en entre eux, ondéfinit le coefficient d'atténuation linéaire α.

α=AL=

10L

log(P e

P s

) (en dB.m-1)

➢ Exercice d'application : Une ligne de transmission téléphonique a un coefficient d'atténuation de7,9dB/km. La puissance d'entrée est de 100mW et le récepteur téléphonique chez un particulier impose quela puissance de sortie ne soit pas inférieure à 3,5μW.

→ Quelle est la longueur maximale de la ligne téléphonique ?

3- Débit binaire : Le débit binaire D est le nombre de bits transférés chaque seconde d'une source vers un destinataire.L'unité est notée bit.s-1.

D=1T b

où TB est la durée de transmission d'un bit

➢ Exemple : Un fichier de 200Mo est téléchargé sur Internet à 12,0 Mbit.s-1. Quelle est la durée dutransfert ?

Application : Transmission des informations par fibre optique (Extrait Polynésie 2013)

1. Rappeler une propriété d’un faisceau laser en montrant que celle-ci justifie l’usage de ce type derayonnement électromagnétique pour la transmission d’information par fibre optique.

2. En utilisant le document 3, choisir une longueur d’onde à privilégier pour une bonne transmission dusignal.

3. Le débit disponible pour ce dispositif de transmission a une valeur moyenne de 100 Mbit.s-1.3.1. Évaluer le temps de transfert d’un fichier de 50 Mo.3.2. On souhaite recevoir un film vidéo noir et blanc de 25 images par seconde. Ces images sontconstituées de 600 x 450 pixels, le codage de l’image est de 24 bits par pixel. La transmission peut-elle être assurée dans de bonnes conditions ?

4. Un prestataire de service installe un réseau dans une petite ville. Il utilise de la fibre optique en silice. Lalongueur maximale de fibre qu’il doit utiliser pour desservir tous ses clients a pour valeur L = 10,0 km.La longueur d’onde du rayonnement émis par le laser utilisé est égale à 850 nm. On admet que le signal de sortie est exploitable tant que sa puissance Psortie est supérieure à 1% de lapuissance Pentrée du signal entrant.

À l’aide des documents fournis, dire en justifiant si tous les clients bénéficient de signaux satisfaisants sansamplification optique intermédiaire.

4

III- Stockage de l'information :

1- Principe de fonctionnement d'un CD, DVD, BluRay : ➢ Activité 4 p 545 : La lecture d'un disque optique

2- Comment augmenter la capacité de stockage ? ➢ Activité 5 p546 : Stockage optique

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Document 1 : Quelques données :

L’atténuation en décibel d’un signal de puissance P à travers une chaîne de

transmission est : ADB=10 logP entree

P sortie

.

Pour une fibre optique de longueur L, on définit le coefficient d’atténuation en dB/km

par : α = dBA

L.

1 Tbit (térabit) = 1012 bits 1 octet = 8 bits ; 1 Mo (mégaoctet) = 220 octets.

Document 2 : Transmission de la lumière dans une fibre à saut d’indice.

Document 3 : Coefficient d’atténuation α (dB/km) des fibres en matériau de silice.

Application : Un nouveau stockage optique : le Blu-Ray (Extrait Asie 2013)

1.Lecture des informations sur le disque LASER :Le document 4 représente le système de lecture du disque. Le faisceau lumineux, constitué d’une lumièremonochromatique de longueur d’onde λ0 dans le vide est émis par la diode LASER. Il traverse une coucheprotectrice transparente en polycarbonate dont l’indice est n = 1,55, puis il est réfléchi par le disque etdétecté par la photodiode.

Lors de la détection d’un 0, le faisceau est entièrement réfléchi par un plat ou par un creux (figure 1document 4). Tous les rayons composant le faisceau ont donc parcouru un même trajet. Lors de la détectiond’un 1, le faisceau laser passe d’un plat à un creux ou inversement (figure 2 document 4).

Une partie du faisceau est alors réfléchie par le plat et l’autre partie par le creux. Tous les rayonscomposant le faisceau n’ont donc pas parcouru le même trajet.

On note ΔL la différence de parcours des deux parties du faisceau qui se superposent et interfèrent lors deleur détection.Dans le polycarbonate, la longueur d’onde de la lumière monochromatique constituant le

faisceau est λ=λ 0

n.

1.1. Donner la condition que doit vérifier ΔL pour que lesinterférences soient destructives.

1.2. Montrer que la profondeur minimale d du creux s’exprimeen fonction de λ, la longueur d’onde de la lumière laser dans le

polycarbonate, par la relation : d=λ4

.

1.3. Calculer d pour un CD lu par un faisceau LASER delongueur d’onde dans le vide λ0 = 780 nm.

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Figure 1

Figure 2

Document 4

f ’ : distance focale

lentille

D : diamètre du spot

Document 5

1.4. Dans quel cas le capteur reçoit-il plus de lumière (détection d’un 0 ou détection d’un 1) ?Justifier la réponse.

2. Intérêt de la technologie Blu-Ray :

La quantité NA = sin α est appelée « ouverture numérique ». α est l’angle d’ouverture du demi-cône formé par le faisceau laser (voir document 5).

Le diamètre D du spot sur l’écran s’exprime alors par la formule : D=1,22λ0

NAOn a donné sur le document 6 les valeurs de l’ouverture numérique, de la longueur d’onde et de la distance

l qui sépare deux lignes de données sur le disque.

CD DVD Blu-ray Disc

l=1,6μm l=0,74μm l=0,30μmDocument 6

2.1. Justifier l’appellation « Blu-ray » en faisant référence à la longueur d’onde du faisceau Laser.

2.2. Quel est le phénomène qui empêche d’obtenir dans chaque cas une largeur de faisceau plus faible ?

2.3. En utilisant les données du document 6, vérifier que le diamètre D du spot dans le cas de latechnologie Blu-ray est compatible avec la distance 2ℓ qui sépare trois lignes de données sur le disque.

2.4. En argumentant votre réponse expliquer comment il est possible d’améliorer la capacité de stockagedu disque sans modifier sa surface.

2.5. Un disque blu-ray peut contenir jusqu’à 46 Gio de données, soit environ 4 heures de vidéo haute

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λ0 = 780 nmNA = 0,45

λ0 = 650 nmNA = 0,60

λ0 = 405 nmNA = 0,85

ℓℓ

400 420 500 575 620 800

λ (en nm)

Violet Bleu Cyan Vert Jaune Rouge

ℓ

définition (HD).Calculer le débit binaire de données numériques dans le cas de la lecture d’une vidéo HD (en Mibit/s).Données : 1 Gio = 230 octets ; 1 octet = 8 bits ; 1 Mibit = 220 bits

2.6. La haute définition utilise des images de résolution d’au moins 720 pixels en hauteur et 900 pixels enlargeur. Chaque pixel nécessite 24 bits de codage (8 par couleur primaire).

2.6.1. Montrer que la taille numérique d’une image non compressée est d’environ 15 Mibit.2.6.2. Combien d’images par seconde peut-on obtenir sur l’écran de l’ordinateur avec le débit

binaire calculé à la question 4.5. ?2.6.3. Pour éviter l’effet de clignotement, la projection d’une vidéo nécessite au moins 25

images par seconde. Pourquoi faut-il réduire la taille des images à l’aide d’un protocole de compression d’images.

CQFR

I- Numérisation : → Signal analogique/numérique : savoir définir, les identifier … → Principe du CAN : fréquence d'échantillonnage, pas de quantification, résolution→ Notion de pixel, octet, bit. Savoir déterminer le format d'un fichier, convertir les différents formats.

Pour s'entraîner : ex 9 -10 - 13 – 22 p 529-533

II – Transmission : → Les différents modes de transmission : savoir exploiter des docs → Atténuation : savoir exploiter les formules (les formules ne sont pas à connaître)→ Débit binaire : définition, calcul

Pour s'entraîner : ex 4-22 p552 III – Stockage :

→ Principe de stockage sur un CD : conditions pour avoir les interférences destructives→ Notion de capacité de stockage (comment l'augmenter … )

Pour s'entraîner : ex 23 p555

Programme terminé !!!Plus qu'à réviser !!!

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