Transmettre et stocker de l’information

Transmission de l’information

Chaîne de transmission d’informations 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.

Procédés physiques de transmission

Propagation libre et propagation guidée. Transmission : - par câble ; - par fibre optique : notion de mode ; - transmission hertzienne. Débit binaire. Atténuations. Exploiter des informations pour comparer les différents types de transmission. Caractériser une transmission numérique par son débit binaire. Évaluer l’affaiblissement d’un signal à l’aide du coefficient d’atténuation. Mettre en œuvre un dispositif de transmission de données (câble, fibre optique).

Milieux de transmission : propagation libre ou guidée.

Air, eau : sons, US, ondes électromagnétiques

Cuivre : signaux électriques

Fibre optique : ondes électromagnétiques Évolutions des chaînes de transmission :

Electricité ⟶ électronique : miniaturisation.

Informatique : codage des informations.

Cuivre ⟶ fibre optique : amélioration de la qualité et du débit.

WiFi, téléphonie mobile, bluetooth : affranchissement des liaisons filaires.

Avantages et inconvénients Propagation libre : Les ondes hertziennes se propagent dans toutes les directions à partir de l’antenne. Elles peuvent donc être reçues par des récepteurs mobiles. Une bande de fréquences doit être allouée à chaque dispositif : l’utilisation des bandes de fréquences disponibles arrive à saturation. Le signal peut être parasité par d’autres émissions. Propagation guidée par cuivre (fil électrique) : Les câbles peuvent être torsadés ou coaxiaux. L’amortissement des signaux augment avec la distance. Les signaux peuvent être parasités par des ondes électromagnétiques environnantes.

Information à

transmettre Encodeur

Milieu de transmission

Emetteur Information transmise

récepteur Information

décodée Décodeur

Canal de transmission

Propagation guidée par fibre optique : les signaux sont des ondes électromagnétiques visibles ou proches du visible. L’atténuation est faible même sur de longues distances. Elles sont insensibles aux perturbations électromagnétiques. Principe de la fibre optique : protection en plastique, gaine et cœur. L’indice de réfraction du cœur est supérieur à celui de la gaine. On distingue les fibres multimodales (courtes distances) et monomodales (longues distances). Dans une fibre multimodale, les radiations subissent des réflexions multiples, leur trajet est donc supérieur à la longueur de la fibre. Des radiations émises simultanément peuvent avoir des trajets (modes) différents et donc des durées de parcours différentes. Il en résulte une dégradation du signal due à l’étalement du signal dans le temps. Le diamètre du cœur d’une fibre monomodale est de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde des radiations. Il y a donc peu de réflexions successives et donc une moindre dégradation du signal. Elles sont plus couteuse et donc réservées aux longues distances.

http://microtechnica.free.fr/fibreopt.htm

Animation fonctionnement fibre optique : http://igm.univ-mlv.fr/~dr/XPOSE2009/Transmission_sur_fibre_optique/typesrecap.html

http://microtechnica.free.fr/fibreopt.htm

distance

distance

distance

Distance à l’axe

Distance à l’axe

Distance à l’axe

Atténuation d’un signal L’atténuation ou affaiblissement A d’un signal est liée au rapport entre la puissance du signal à l’entrée Pe et la puissance en

sortie PS.

A = 10 . log(

)

A s’exprime en décibel (dB). L’atténuation dépendant de la longueur du fil ou de la fibre, on définit un coefficient d’atténuation linéique :

= AL

= 10L

. log(

)

s’exprime en dB.m-1

Exemple : fibre multimodale

http://microtechnica.free.fr/fibreopt.htm

Fibre monomodale ( = 1,55 µm) : 2.10-4

dB.m-1

Câble coaxial (antennes satellites) : 0,2 dB.m

-1

Numérisation d’un signal

Signal analogique et signal numérique Conversion d’un signal analogique en signal numérique. Échantillonnage ; quantification ; numérisation. Reconnaître des signaux de nature analogique et des signaux de nature numérique. 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).

Un signal analogique varie de façon continue au cours du temps. Un signal numérique varie de façon discrète par paliers. Les ordinateurs ne traitent que des signaux numériques. Les valeurs discrètes d’un signal numériques sont exprimés sous forme binaires. Un bit peut prendre la valeur 0 ou 1. Un nombre binaire s’exprime donc sous la forme d’une suite de 0 et de 1. Conversions

(154)10 = 1102 + 510

1 + 410

0

Pour passer en base 2, il suffit de faire une suite de divisions par 2 en ne conservant que les restes : 154/2 = 77 reste 0 ; 77/2 = 38 reste 1 ; 38/2 = 19 reste 0 ; 19/2 = 9 reste 1 ; 9/2 = 4 reste 1 ; 4/2 = 2 reste 0 ; 2/2 =1 reste 0 ; 1/2 = 0 reste 1. soit (154)10 = (10011010)2 (le dernier reste est en premier)

(10011010)2 = 127 + 02

6 + 02

5 + 12

4 + 12

3 + 02

2 + 12

1 + 02

0 = 128 + 0 + 0 + 16 + 8 + 0 + 2 + 0 = (154)10

Octet Il s’agit d’un nombre binaire (mot) composé de 8 caractères : de 0000 0000 à 1111 1111 soit en base 10 de 0 à 255. Un octet peut donc prendre 256 valeurs. En anglais, on parle souvent de byte pour désigner un octet. La valeur d’un byte dépend cependant de la technologie et peut être composé de 6, 7 8 ou 9 bits. Les multiples de l’octet :

Nom kibioctet mébioctet gébioctet tébioctet

Symbole Kio Mio Gio Tio

Valeur (en octet) 210

= 1 024 220

= 1 048 576 230

= 1 073 741 824 240

=1 099 511 627 776

Nom kilooctet mégaoctet gigaoctet téraoctet

Symbole Ko Mo Go To

Valeur (en octet) 1 000 1 000 000 1 000 000 000 1 000 000 000 000

ATTENTION : Par abus de langage, le kibioctet est très souvent assimilé au kilooctet. Afin de « raccourcir » les nombres binaires, on les transforme en nombres hexadécimaux (base 16) : Les chiffres de la base 16 sont : 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F Ainsi (1111 1111)2 = (255)10 = (FF)16

15161 + 1516

0 = 240 + 15 = 255

Pour numériser un signal analogique, on effectue des mesures à intervalles de temps réguliers (fréquence d’échantillonnage) et on quantifie les valeurs mesurées par des valeurs discrètes (quantification) codées en langage binaire. Exemple une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz signifie qu’on réalise une mesure toutes les millisecondes et une quantification sur un octet signifie qu’on ne prend que 256 valeurs. On peut donner une idée de cette numérisation avec regressi : On simule un signal sinusoïdal : nouveau simulation.

On construit un signal sinusoïdal d’amplitude 12. On rajoute 12 pour ne pas avoir de valeurs négatives (simplification sans impact pour notre problématique). On définit un paramètre expérimental p qui permet de ne garder que la valeur entière de u/p auquel on rajoute p pour obtenir des valeurs proches des valeurs initiales (dans notre cas, entre 0 et 24). On demande un affichage : animation en fonction des paramètres.

Réglage des paramètres :

min, max et pas

Ouverture de la fenêtre

Anim = f(param)

Curseur permettant de faire varier la valeur

de p.

p permet de régler la quantification et de

visualiser son impact sur la forme du signal.

Permet de faire

varier la

fréquence

d’échantillonnage

Mettre en

radian

Exemple son qualité CD :

Pour un signal de 44 100 Hz ; 16 bits on a donc une information contenant 4410016 = 705 600 bits par seconde

d’enregistrement Si le son est en stéréo : 2 705 600 bits = 1 411 200 bits par seconde soit 1 411 200 = 1,3 Moi/s. Pour un morceau de 5 min : 404 Moi. Il faut donc compresser le fichier qui devient très vite volumineux (ogg, mp3…) Intérêt de la numérisation par rapport aux parasites Un signal analogique est déformé par un parasitage alors que le signal numérique même déformé conserve l’information (jusqu’à un certain point tout de même).

http://yann.lelogeais.free.fr/science/digit/digit_1ts1.html

Numérisation d’une image

Images numériques Caractéristiques d’une image numérique : pixellisation, codage RVB et niveaux de gris. 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.

On va utiliser pour les exemples une image d’interférence en lumière blanche : http://www.guilhaumont.fr/img/diffract-lum-blanche.jpg Un logiciel pour visualiser et traiter l’image : ImLab (http://imlab.sourceforge.net/) Regressi pour le traitement de l’image en intensité (http://jean-michel.millet.pagesperso-orange.fr/telechargement.htm) On peut aussi utiliser pour la conversion hexadécimal :frhed ( http://portableapps.com/apps/development/frhed_portable)

Codage d’une image : exemple du codage RGB (rouge, vert, bleu) 24 bits Chaque image est décomposée en petits carrés, les pixels.

Un pixel est codé sur 24 bits soit 83 bits soit un octet pour le rouge, un octet pour le vert et un octet pour le bleu.

On obtient ainsi 256256256 = 16 777 216 nuances de couleurs pour chaque pixel. Pour l’image d’interférence : L’ouvrir avec imlab et cliquer sur information. On obtient l’information ci-contre :

On a donc, chaque pixel codé avec 3 octets et 36912464 = 9 094 624 px

Le fichier a donc une taille de : 9 094 624 3 /220

= 26 Mio Ce fichier comprend, en plus du codage des pixels, des données permettant de décrire le format et l’encodage du l’image. On peut ouvrir le fichier avec frhed pour visualiser son contenu.

Plus intéressant, avec ImLab, on peut afficher la valeur de chaque pixel :

On peut donc analyser le code en fonction des couleurs (blanc, noir, jaune = vert + rouge etc…) Si on utilise SalsaJ pour étudier l’intensité du spectre, on peut utiliser la fonctionnalité Split Components qui permet de créer une image en nuance de gris correspondant à chaque couleur primaire.

Bouton pour

obtenir la matrice

Chaque pixel est

représenté avec sa

couleur et son code

RGB en décimal.

L’analyse d’une de ces images, nous montre le codage de l’image en niveau de gris sur 8 bits (256 nuances).

On peut maintenant traiter notre image et créer un lien avec la diffraction en montrant que l’image correspond bien à la superposition des spectres de diffraction en lumière rouge, verte et bleue. Les filtres du capteur pour capter l’image codée en RGB (RVB) laissent passer les longueurs d’ondes : 600, 520 et 450 nm. Ouvrir regressi et nouveau/ image/intensité lumineuse Ouvrir l’image

Traitement permet de transférer les intensités vers le tableur. Choisir pages/nouvelle/image et désélectionner vert et bleu : on obtient l’intensité pour le rouge. Recommencer pour le vert et le bleu. On a donc 4 pages : RVB, R, V et B. Afin de mieux visualiser les spectres, choisir options / graphique et cliquer sur le bouton couleurs. Définir les bonnes couleurs pour chaque page… Choisir d’afficher toutes les pages sur le même graphique.

On obtient :

On peut vérifier que les parties magenta, jaunes et cyan correspondent sur le graphe à des intensités correspondantes pour chaque couleur primaire. Il suffit de copier le graphe dans un traitement de texte et de juxtaposer l’image de départ comme ci-dessus. Exemple : le jaune correspond à une forte intensité du rouge, une intensité importante du vert et une intensité faible du bleu. On peut mesurer les interfranges respectives et faire une comparaison des rapports de celles-ci avec le rapport des longueurs

d’ondes correspondantes. i = .D/a soit à vérifier i’/i = '

Rouge/vert Rouge/bleu Vert/bleu

Rapport des interfranges 1,13 1,33 1,18

Rapport des longueurs d’ondes 1,15 1,33 1,17

Stockage optique

Stockage optique Écriture et lecture des données sur un disque optique. Capacités de stockage. Expliquer le principe de la lecture par une approche interférentielle. Relier la capacité de stockage et son évolution au phénomène de diffraction.

Sur les Cd, DVD et BR, les données sont codées sous la forme d’une succession de plats et de creux. Lorsque le

faisceau laser arrive sur un plat, il se forme des interférences constructives. Lorsque le faisceau atteint un creux, une

partie se trouve déphasé de /2, les interférences sont alors destructives. Pour cela, il faut que la profondeur d’un

creux soit égal à /4. L’intensité reçue au niveau du récepteur est mesurée à intervalle de temps régulier. Notons

que pour obtenir cela, la vitesse de rotation diminue lors de la lecture qui se fait du centre vers l’extérieur du disque.

On code l’intensité reçue avec des 1 ou des 0.

La capacité de stockage dépend donc de la longueur de la piste et de l’espacement minimal entre les plats et les creux.

Allonger la piste revient à resserrer la spirale en diminuant la largeur des plats et des creux : le faisceau laser doit être

le plus étroit possible. Le diamètre d du faisceau laser dépend de la longueur d’onde et de l’ouverture numérique NA

qui dépend de l’émetteur. Ce diamètre ne peut pas être diminuée indéfiniment car le phénomène de diffraction

entrerait en jeu.

d = 1,22

NA

Pour augmenter le stockage, on joue sur l’ouverture numérique et sur la longueur d’onde.

Format CD DVD BR

NA 0,45 0,60 0,85

Longueur d’onde (nm) 780 (rouge) 650 (rouge) 405 (bleu)

Ecartement des lignes (µm) 1,6 0,74 0,32

Taille minimale d’un creux (µm) 0,83 0,40 0,14

Capacité de stockage (Gio) 0,75 4,4 23

http://www.univ-rennes1.fr/themes/actualites/uneActualite/Nanocristaux_magn_tiques___commutation_ultra-

rapide.cid74270?auteur=Ga%25C3%25ABlle%2520Le%2520Page