Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

1/ 11

Chapitre 21 : Les chaînes et les procédés physique de transmission

de l’information

1. La transmission de l’information

1.1. Les chaînes de transmission ( Document 1A)

1.2. Les téléphones

Document 1B : Le téléphone « pots de yaourts »:

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

2/ 11

Questions : Voici une évolution de la téléphonie : ( complétez le tableau suivant)

Un indien veut transmettre à sa tribu, par signaux de fumée, le fait que des visages pâles arrivent.

Deux enfants communiquent par « pots de yaourt »

Une personne converse avec une autre par téléphone filaire (dit « classique »)

Une personne converse avec une autre par téléphone portable

Une personne converse avec une autre par téléphone « VoIP » relié à une « box »

Situation Emetteur Canal de

transmission

Type de

transmission

(guidée/libre)

Type de signal

transporté par le

canal

Récepteur

Un indien veut

transmettre à sa

tribu, par signaux

de fumée, le fait

que des visages

pâles arrivent.

Deux enfants

communiquent

par « pots de

yaourt »

Une personne

converse avec

une autre par

téléphone filaire.

Une personne

converse avec

une autre par

téléphone

portable

Une personne

converse avec

une autre par

téléphone lié à

une « box »

Document 1C : Le téléphone VoIP:

La technologie de Voice over Internet Protocol (VoIP) permet de faire passer la voix sur

un réseau utilisant le protocole IP (par exple internet).

Les sons de la voix sont numérisés au niveau du modem/routeur qui les transmet par le

réseau internet. Si la personne destinataire ne dispose pas de modem, les informations

seront converties près du domicile du destinataire (dans un « commutateur») en signal

analogique et transmises pour les derniers mètres par le réseau téléphonique classique

RTC.

Document 1D : la téléphonie « classique »

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

3/ 11

Le débit binaire

Ce débit caractérise la vitesse de transmission

d’un signal sur le canal.

Il s’agit du nombre de bits (c'est-à-dire de 0 ou

de 1) pouvant être transmis par unité de

temps :

t

ND

Il est aussi appelé « bande passante » (même si

le terme, emprunté à l’électronique, est

impropre car il qualifie normalement la plage

de fréquence restituées de manière optimale

par un système) ou encore « bit rate » (terme

anglosaxon).

1.3. Les critères permettant de juger la qualité d’une transmission ( Document 2 )

Sources : http://www.samomoi.com/reseauxinformatiques/ , http://hautrive.free.fr/reseaux/supports/ ,

http://nicolas.baudru.perso.esil.univmed.fr , www.scribd.com/doc/30411489/Cours-Fibre-Optique

Questions :

1. Quelle sera l’unité du débit binaire ?

2. La voix humaine pour la téléphonie doit être numérisée à 8 kHz et sur 8 bits.

a. Que représentent ces deux valeurs ?

b. Montrer que si l’on veut transmettre correctement une voix numérisée, il faut que le canal de

transmission ait un débit binaire d’au moins 64 kbit/s.

3. La norme informatique « USB 2 » autorise un transfert théorique de 480 Mbits/s. On désire acheter une clé

USB. Un modèle annonce un débit de 30 Mo/s. Sur un autre site marchand, une clé USB de toute nouvelle

génération, à la norme USB3 bien plus rapide que la USB2, annonce un débit de 100 Mo/s.

a. Pourquoi le nombre donnant le débit théorique de la clé USB 2 est-il si différent de celui réel ?

b. Effectuer un calcul permettant une réelle comparaison entre la valeur théorique et la valeur réelle.

c. On désire transférer 200 photos au format JPEG dont le poids est en moyenne 3 Mo. Calculer le temps

nécessaire pour transférer ces photos sur la clé USB 2. Même question sur la clé USB 3.

4. Calculer l’affaiblissement d’une ligne s’il y a eu une perte de puissance de 10% lors du transfert.

(Indication : calculer le rapport Pr/Pe avant de calculer A)

1.4. Les différents supports de transmission ( Document 3 )

1. Les câbles à paires torsadées Les câbles à paires torsadées sont des câbles constitués au moins de

deux brins de cuivres entrelacés en torsade et recouverts d’isolants. Ce

sont les câbles utilisés pour les réseaux informatiques (prises RJ45 aux

extrémités).

Leur débit dépend de la « catégorie » du câble . La catégorie 1, abandonnée maintenant, ne permettait pas

le transfert de données numériques (débit trop faible , bien inférieur à 1 Mbits/s). On utilise aujourd’hui

principalement les câbles de catégorie 5. Le débit est alors de 100 Mbits/s et l’atténuation de l’ordre de 22 dB

pour 100 mètres (pour un signal de fréquence de 100 MHz, source : t4clive.free.fr)

L’atténuation

Lors de la transmission d’un signal par un canal, il se

produit une perte de puissance au fur et à mesure de la

propagation du signal.

Soit Pe la puissance founit par l’émetteur (en W)

et Pr celle reçue par le récepteur (en W) alors

l’affaiblissement A d’un canal de transmission s’exprime :

Pr

Pe10.LogA

A sera exprimée en dB (décibel)

On utilise également le coefficient d’atténuation linéique

a :

L

Aa où L est la longueur du canal de transmission

a s’exprimera en dB.m-1

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

4/ 11

2. Les câbles coaxiaux Le câble coaxial est composé d’un fil de cuivre entouré successivement

d’une gaine d’isolation, d’un blindage métallique et d’une gaine

extérieure.

Utilisés principalement pour transmettre la télévision numérique ou analogique (c’est le câble relié à

l’antenne), il offre un débit de 10 Mbits/s et une atténuation de 11,5 dB pour 100 mètres (à 100 MHz, source :

http://www.transistek.com/).Il a tendance à être abandonné de nos jours pour les transmissions numériques.

3. Les fibres optiques (animation : http://www.sciences.univ-

nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/optiqueGeo/dioptres/fibre_optique.html)

La fibre optique reste aujourd’hui le support de transmission le plus

apprécié. Il permet de transmettre des données sous forme

d’impulsions lumineuses avec un débit nettement supérieur à celui

des autres supports de transmissions filaires. La fibre optique est

constituée d’un cœur, d’une gaine optique et d’une enveloppe

protectrice.

La fibre optique utilise le phénomène

physique de la réflexion totale : la lumière

est « piégée » dans le cœur et se propage

en se réfléchissant à l’intérieur.

Il existe 2 grands types de fibres optiques :

les monomodes et les multimodes.

Les fibres multimodes ont été les

premières fibres optiques sur le marché.

Le cœur de la fibre optique multimode

est assez volumineux, ce qui lui permet

de transporter plusieurs informations

(plusieurs modes) simultanément. Il

existe deux sortes de fibre multimode :

celle à saut d’indice et celles à gradient

d’indice. Les fibres multimodes sont

souvent utilisées en réseaux

locaux.

La fibre monomode a un cœur

très fin et ne peut transporter

qu’un seul signal, à une distance

beaucoup plus longue que celle

de la fibre multimode. Elle est

utilisée dans des réseaux à

longue distance.

Type de fibre Saut d’indice Gradient d’indice Monomode

Atténuation linéique en

dB/km pour un signal de

100 MHz. (source : cvardon.fr/)

5 1 0,5

Débit binaire 100 Mbits/s 300 Mbits/s 2 Gbits/s

Coût Assez élevé Assez faible élevé

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

5/ 11

4. Les liaisons hertziennes Le support de transmission est une onde électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 10-3 m et

104m :

L’atténuation dépend du milieu traversé :

Matériau béton métal plâtre bois verre brique

Atténuation forte forte moyenne faible faible faible

Le débit dépend de la technologie utilisée pour émettre l’onde électromagnétique (Wifi : 11 Mbits/s sur 100 m ;

Bluetooth : 1 Mbits/s sur 10 m avec une faible consommation d’énergie. Pour la téléphonie mobile : GSM* : 9,6

kbits/s sans trop d’atténuation grâce à des relais; 100 kbits/s pour la 3G, 100 Mbits/s pour la 4G…)

* GSM : Global System for Mobile Communications: norme de transfert numérique de 2ème génération (2G) utilisée par l’ensemble des téléphones portables.

Questions :

1. Parmi des supports de transmission du document 3, séparer ceux qui permettent une propagation guidée

d’un signal de ceux qui permettent une propagation libre.

2. Réunir dans un tableau, pour chaque support guidé, les valeurs du débit binaire et du coefficient

d’atténuation linéique en dB.m-1.

Calculer également la durée nécessaire pour transférer un fichier film d’un poids de 700 Mo.

3. Quel est l’affaiblissement en dB lors de la propagation d’un signal sur 100 m de câble coaxial. En déduire le

rapport Pe/Pr puis le % d’intensité du signal perdue lors du transfert.

4. Pour la fibre optique, quel mode retransmet le mieux la forme du signal ? Pourquoi les autres modes de fibre

existent-elles encore ?

1.5. Exercice de synthèse

Un particulier désire aménager sa maison de manière à

connecter ses différents appareils numériques.

Il dispose d’un routeur ADSL (une « box ») branchée au

réseau internet par une fibre optique à gradient d’indice.

Ce routeur permet d’émettre un signal Wifi, Bluetooth ou

filaire (c'est-à-dire en passant par un câble torsadé

catégorie 5). Le particulier dresse un plan de sa maison en

faisant figurer ses besoins ainsi que les matériaux

composant les murs (voir schéma ci-contre).

« Quelle(s) solution(s) adopter pour connecter chaque

appareil numérique avec le meilleur débit possible ? »

Rédiger une courte synthèse permettant de répondre à cette problématique.

Pour cela, on présentera rapidement les solutions qui s’offrent au particulier ainsi que les caractéristiques

principales de chacune d’entre elle. On fera ensuite une étude de la pertinence de chaque solution en

tenant compte des matériaux composants la maison ainsi que des distances et des débits offerts. Enfin, on

répondra à la problématique en détaillant l’installation à effectuer.

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

6/ 11

2. Stockage de l’information 2.1. Comment sont stockées les données sur un disque ?

Sur un CD pressé, l’information numérique est stockée par une succession de creux et de plats disposés sur

une piste lue à partir du centre du CD.

Fabrication d’un support par pressage :

Questions :

a. Combien de bits sont codés sur ce bout de piste ?

b. Le terme « creux » pour les trous formés par la matrice est-il judicieux ?

c. Comment sont matérialisés les « 0 » sur le support ? Même question pour les « 1 ».

Piste

Piste d’un CD

Polycarbonate

Matrice de pressage Matrice de pressage

creux

plat 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1

Côté du disque lu par le laser

Etape 1

Métallisation (aluminium)

Etape 2

Vernis protecteur

Etape 3

Disque pressé

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

7/ 11

2.2. Comment sont lues les données sur un disque ?

Le faisceau laser émis par la photodiode du lecteur de disque possède une longueur d’onde .

La différence de hauteur entre un creux et un plat du support (CD par exemple) est de /4

Questions :

a. Quelle est la différence de marche entre deux rayons laser

émis par la diode et réceptionnés par le capteur si l’un est

réfléchi par un creux et l’autre par un plat ?

b. Quel type d’interférence obtient-on lorsque deux rayons

reviennent sur le capteur avec une telle différence de

marche ?

c. L’intensité captée est-elle alors maximale ou minimale ?

d. Dans quelle situation de la figure 11 se trouve-t-on alors ?

e. Dans l’autre situation, quel type d’interférence obtient-on ?

Justifier.

L’intensité lumineuse reçue par le capteur est alors convertie en la tension électrique (figure 12).

/4

lecture d’un disque

Situation 1 Situation 2

Figure 11

Temps

Tension (V)

0 1 0 0

1

2

0

Figure 12

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

8/ 11

f. Compléter les données numériques lues par le capteur à l’aide du graphe.

Conclusion :

Le principe de la lecture des disques optiques gravés industriellement (pressage) repose sur le phénomène

d’interférence entre les rayons du laser réfléchis par les différentes zones du disque.

2.3. Capacité de stockage

La capacité de stockage est donc liée à la longueur de la piste qui spirale du

centre du support vers son bord.

Ainsi, pour augmenter la capacité de stockage, il faut augmenter la longueur de

la piste. Pour disposer d’une piste plus longue sans agrandir le disque support, on

rapproche les lignes de la piste de manière à resserrer la spirale.

Le faisceau laser incident doit alors être plus fin pour ne pas lire simultanément

deux lignes. Le diamètre d du faisceau laser sur le support est donné par la

relation :

NA

d

22,1 avec NA l’ouverture numérique qui dépend de

l’émetteur laser.

Ainsi, pour diminuer le diamètre du faisceau de manière à pouvoir rapprocher les lignes

de codes (et donc augmenter la capacité de stockage), il faut utiliser un laser de longueur d’onde plus petite.

Exercice :

a. Déterminer le diamètre de la tache du laser sur un CD. Ce diamètre est-il compatible avec

l’écartement des lignes sur le CD (1,6 µm) ?

b. Même question avec le Blu-ray et ses lignes séparées de 0,30 µm.

2.4. Cas des supports réinscriptibles

Les supports pressés (CD, DVD ou Blu-ray) ne sont pas conçus pour l’écriture.

Les supports gravables contiennent une couche de cyanine qui s’opacifie lorsqu’elle est suffisamment

chauffée. Un graveur possède donc un laser à 2 puissances : une pour la lecture, l’autre pour la gravure.

Figure 13

Figure 14

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

9/ 11

Les supports réinscriptibles contiennent une couche de cristal qui change de propriétés optiques selon la

température. Le graveur doit alors faire fonctionner un laser à trois puissances : une pour la lecture, une

pour l’écriture et une pour l’effacement.

La lecture des disques gravés n’utilise pas le phénomène d’interférence : le faisceau incident est

simplement absorbé par les parties noircies.

3. Solutions 3.1. Les téléphones

Situation Emetteur Canal de

transmission

Type de

transmission

(guidée/libre)

Type de signal

transporté par le

canal

Récepteur

Un indien veut

transmettre à sa

tribu, par signaux

de fumée, le fait

que des visages

pâles arrivent.

L’indien

(il code le signal

qu’il doit

émettre)

L’air libre Lumière visible Œil des

indiens de la

tribu

Deux enfants

communiquent par

« pots de yaourt »

Pot de Yaourt

du garçon

(le garçon est la

source)

Le fil tendu guidée Onde mécanique Pot de yaourt

de la fille

(la fille est le

destinataire)

Une personne

converse avec une

autre par

téléphone filaire.

Téléphone 1 Fil de cuivre

Du réseau RTC

(Réseau Tél

Communté)

guidée Signal électrique

(modulé)

Téléphone 2

Une personne

converse avec une

autre par

téléphone portable

Téléphone 1 L’air libre Ondes

électromagnétiques

Autour de 900 Mhz

Téléphone 2

Une personne

converse avec une

autre par

téléphone lié à une

« box »

Téléphone 1+la

box

Ligne internet :

cable ou fibre

optique

guidée Electricité ou lumière Téléphone 2

(+

commutateur

)

3.2. Les critères permettant de juger la qualité d’une transmission ( Document 2 )

1. Quelle sera l’unité du débit binaire ? en bits/s

2. La voix humaine pour la téléphonie doit être numérisée à 8 kHz et sur 8 bits.

a. Que représentent ces deux valeurs ? 8 kHz : la fréquence d’échantillonnage et 8 bits la quantification.

b. Montrer que si l’on veut transmettre correctement une voix numérisée, il faut que le canal de

transmission ait un débit binaire d’au moins 64 kbit/s. 8000 fois par seconde, on doit transmettre 8 bits soit

8000x8 = 64 000 bits/s soit 64 kbits/s

3. La norme informatique « USB 2 » autorise un transfert théorique de 480 Mbits/s. On désire acheter une clé

USB. Un modèle annonce un débit de 30 Mo/s. Sur un autre site marchand, une clé USB de toute nouvelle

génération, à la norme USB3 bien plus rapide que la USB2, annonce un débit de 100 Mo/s.

a. Pourquoi le nombre donnant le débit théorique de la clé USB 2 est-il si différent de celui réel ? L’un est en

Mega octets par seconde et l’autre en Mega bits/s

b. Effectuer un calcul permettant une réelle comparaison entre la valeur théorique et la valeur réelle.

1 bits = 8 octets donc 480 Mbits/s = 480/8 = 60 Mo/s

c. On désire transférer 200 photos au format JPEG dont le poids est en moyenne 3 Mo. Calculer le temps

nécessaire pour transférer ces photos sur la clé USB 2. Même question sur la USB 3.

en Mo/s, on garde N en Mo (inutile de repasser en bits !)

4. Calculer l’affaiblissement d’une ligne s’il y a eu une perte de puissance de 10% lors du transfert. (Indication :

calculer le rapport Pr/Pe avant de calculer A) 10% de perte signifie Pr= 0,9Pe soit Pe/Pr = 1/0,9 = 1,11 donc A

= 10.Log(1,11) = 0,45 dB

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

10/ 11

3.3. Les différents supports de transmission ( Document 3 )

1. Libre : les ondes hertziennes. Guidé : tout le reste…

2. Réunir dans un tableau, pour chaque support guidé, les valeurs du débit binaire et du coefficient

d’atténuation linéique en dB.m-1.

Câble torsadé

cat5

Câble

coaxial

Fibre saut indice Fibre gradient

indice

Fibre

monomode

débit binaire 100 Mbits/s 10 Mbits/s 100 Mbits/s 300 Mbits/s 2 Gbits/s

coefficient

d’atténuation

linéique en

dB.m-1

0,22 0,12 0,005 0,001 0,0005

Durée pour

transférer 700

Mo

= 700x8 = 5600

Mbits

56 s 560 s = 9

min env

56 s 19 s env 3 s env

3. Calculer l’affaiblissement en dB lors de la propagation d’un signal sur 100 m de câble coaxial. En déduire le

rapport Pe/Pr puis le % d’intensité du signal perdue lors du transfert.

Pour le coaxial, l’affaiblissement sur 100m est A = 11,5 dB (voir doc). Donc Pe/Pr = 10A/10 = 101,15 = 14,1

Soit Pr/Pe = 0,07 soit 7% transmis soit 93% d’intensité perdue ! D’où la limite commerciale de 100m pour un

cable coaxial

4. Pour la fibre optique, quel mode retransmet le mieux la forme du signal ? Pourquoi les autres modes de fibre

existent-elles encore ?

C’est le mode « monomode » (voir allure avant/après). Mais fibre très chère et difficile à mettre en place.

3.4. Exercice de synthèse

Il y a 3 solutions : Le filaire, le wifi et le bluetooth pour transmettre un signal dans la maison (la fibre optique

arrive à la box mais on ne peut pas encore câbler dans la maison en fibre optique sinon bonjour la facture !!).

Pour la tablette tactile (qui accepte le 3G), on peut également utiliser le réseau de téléphonie mobile (si le

particulier a ce service dans son contrat)

Le câble torsadé cat 5 offre un bon débit de 100 Mbits/s mais une atténuation assez importante dès que l’on

doit utiliser une grande distance.

Le Wifi, qui transmet une onde électromagnétique, offre un débit correct de 11 Mbits/s mais sur une distance

inférieure à 100 m. Il est fortement atténué par les murs en bétons et peu par le plâtre.

Le bluetooth offre un débit assez faible de 1Mbits/s sur une très courte distance. Etant une onde

électromagnétique, il s’atténue de la même manière que lui au niveau des murs que le Wifi. Il consomme peu

d’énergie.

Le 3G offre un débit faible de 100 kbits/s mais a l’avantage d’être peu amorti donc capté un peu partout

dans la maison grâce aux relais télécom extérieurs

Etudions maintenant la pertinence de chaque solution par rapport à la réalité : objets connectés et structure

de la maison.

Le filaire présente l’avantage de n’être pas cher, d’offrir le meilleur débit, plutôt facile à mettre en place

même si les fils courant le long des murs ne sont pas toujours esthétiques. Pour une maison, l’atténuation sera

très faible. Pour les appareils connectés acceptant ce mode de transmission (télés connectées, ordinateurs…),

la liaison filaire est la meilleure solution en terme de débit et atténuation (et constance du signal).

Le bluetooth a une atténuation trop importante pour être utilisé à travers des murs. Il peut-être utilisé pour

l’imprimante située à côté de la box d’autant plus qu’il est peu gourmant en énergie.

Le Wifi est une bonne alternative au filaire pour les appareils ne disposant pas de prises RJ45 (reliées au filaire) :

c’est le cas de la chaine Hifi, de la tablette tactile même si cette dernière se trouve derrière un mur en béton.

Le signal sera assez amorti et donc le débit réel relativement faible.

Terminale S Thème Agir Chap.21 Programme 2012

11/ 11

Nous rejetons l’utilisation du 3G pour la tablette : le débit est trop faible. Cette solution est intéressante

uniquement si l’on ne dispose pas de borne Wifi.

En conclusion, il faut utiliser une connexion filaire pour connecter les TV et les ordinateurs, une liaison Wifi pour

la chaine Hifi et la tablette, une liaison bluetooth peu gourmande en énergie pour l’imprimante.