Couche Physique - ramat/downloads/02-physique.pdf · Les paires torsadées Principe Deux brins de...

Couche Physique

Eric [email protected]littoral.fr

Université du Littoral Cote d'OpaleLicence Informatique 3ème année

Introduction aux Réseaux

Transmission de l'information

Plan

Support de transmission


Numérisation

Codage en ligne

Transmission en bande de base

Transmission modulée

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Supports de transmission

??

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Support

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Le médium par lequel l'information passe d'un nœud à un autre du réseau

Trois types de supportsMétalliqueOptique Radio

Chacun possède des particularités spécifiquesbande passanteatténuation et sensibilités diversescoût et facilité d'installationetc ...

Support

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Les paires torsadées

PrincipeDeux brins de cuivre, de diamètre inférieur au millimètre, isolés et agencés en spirale– Une paire = un lien de communication– 2, 4 ou 8 paires dans une même gaine = un câble– Transmission analogique (téléphone) ou numérique (LAN)– Chaque paire est enroulée pour limiter les interférences

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Classification– Cat 1 : pour le téléphone – Cat 2 : 4 Mbit/s token ring networks.– Cat 3 : Fréquences 16 MHz et 10 Mbit/s,– Cat 4 : 20 MHz, 16 Mbit/s– Cat 5 : 100 MHz, 100 Mbit/s – Cat 5e : 100 MHz, 100 Mbit/s et Gigabit – Cat 6: 250 MHz, 10Gbit/s 50m – Cat 6a: 500 MHz, 10Gbit/s 100m– Cat 7: 600 MHz, 10Gbit/s 100m– Cat 7a: 1000 MHz, 40Gbit/s 50m et 100Gbit/s 15m

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AvantagesSimpleÉconomiqueRéutilisation de l'existant

DésavantageSensibilité aux perturbations électromagnétiquesAtténuation très importante du signal

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Le câble coaxial

PrincipeDeux conducteurs ayant le même axe.Utilisé pour la télévision et téléphone entre autresDeux versions : « gros » et « fin »

Débit 5 à 10Mbit/s voire 1 à 2 Gbit/s sur 1KM

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Le câble coaxial

ConnectiqueThick (Gros)– Prise vampire (le câble est percé avec le connecteur de

manière à réaliser directement la connexion physique et électrique)

Thin (fin)– Prise BNC en forme de T

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Le câble coaxial

AvantageMeilleure qualité de transmissionDébits plus importantsFacilité de manipulation discutable (poids, flexibilité)

DésavantageCoût élevé

A été longtemps un câblage de prédilection, remplacé aujourd'hui par de la fibre

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PrincipeCylindre de fibre de silicium, extrêmement fin Supporte de gros débits sur de longues distancesFaible sensibilité électromagnétique, difficulté d'écouteDeux sortes de lumière– Diodes électroluminescentes– Laser (plus de débit mais plus cher et faible durée de vie)

Débits 2, 10, 50 Gbit/sBande passante 10MHz 100GHz

La fibre optique

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La fibre optique

AvantagesBande passante immense débits très importantsAtténuation plus faibleInsensibilité aux interférences électromagnétiquesInsensibilité aux corrosions chimiques de l'airFaible poids, faible encombrement

DésavantageFragilitéTransmission point-à-pointTransmission unidirectionnelleCâblage délicatCoût élevé des interfaces

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Transmission sans fils

Ondes RadioInfrarouge, hertzien ...Wifi (56 Mbit/s) , Bluetooth (2Mbit/s) ...Portée de 10 à 150mForte sensibilité aux perturbations électromagnétiquesPas de sécurité

Micro ondesTransmission terrestre : portées 50 à 1000KmTransmission satellitaire : hauteur 36000km ou 800Km

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Transmission en bande limitée

Caractérisation d'un signalChaque signal périodique peut se décomposer en une somme infinie de sinusoïdes (décomposition de Fourrier)

Bande passanteEn théorie, la bande passante désigne la différence en Hertz entre la plus haute et la plus basse des fréquences transmissibles sur un support de transmission

EffetToutes les fréquences du signal qui ne sont pas dans la bande passante du canal seront « filtrées » par le canal

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Effets de la bande limitée

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Atténuation et bruit

AtténuationPerte d'énergie que subit le signal lorsqu'il se propage – le signal décroît de façon logarithmique lorsque la distance

augmente– généralement connue pour un support donné → utilisation

d'amplificateurs

BruitTout canal de transmission introduit un bruit. On note S la puissance du signal et B celle du bruit (en Watt)– Le rapport signal sur bruit mesuré en décibel du canal

Ex. – si S/B = 1000, le rapport signal sur bruit vaut 30 dB– si S/B = 2, le rapport signal sur bruit vaut 3 dB

SB dB

=10 log10 SB

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Capacité d'un canal de transmission

Définition La capacité d'un canal de transmission est le débit maximum que peut atteindre la transmission sur le canal. Elle est liée à la bande passante du canal et à son rapport signal sur bruit.

Théorème de ShannonSoient W la bande passante d'un canal de transmission et S/B le rapport signal sur bruit. La capacité en bit/s du canal est :

C = W log2 1SB

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Message analogique vs. numérique

Messagedonnées que l'usager souhaite transmettre

Message analogiqueespace de temps continu, espace de valeurs continuex : voix, vidéo, données collectées par des capteurs

Message numériqueespace de temps discret, espace de valeurs discretex : texte, entiers

1001000110 ...

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Signal analogique vs numérique

Signal la représentation physique du message à transmettre.

ils se présentent généralement sous la forme d'une grandeur électrique (tension, courant) qui peut ensuite être convertie en une onde électrique ou électromagnétique pour la transmission

Signal analogiquesignal représentant un message analogique

Signal numériquesignal résultant de la mise en forme d'un message numérique– il se présente sous la forme d'une succession de formes

d'ondes pouvant prendre une parmi un ensemble fini de possibilités utilisées pour coder l'information

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Transmission analogique vs. numérique

La transmissionl'opération qui consiste à transporter le signal d'une machine vers une autre, sur un support donné

Transmission analogiquetransport d'un signal analogique– nécessite, sur de longues distances, des amplificateurs

Transmission numériquetransport d'un signal numérique – nécessite, sur de longues distances, des répéteurs

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La numérisation

Avantages du numérique sur l'analogique● facilités de stockage, de traitement et de restitution● intégration (multimédia)● faible taux d'erreur des liaisons numériques par rapport

aux liaisons analogiques (répéteurs vs. amplificateurs)● coût des composants (équipements) numériques inférieur

à celui des composants analogiquesLa tendance● traiter des données numériques et les véhiculer par un

signal numérique (le tout numérique)Numérisation● transformation d'un message analogique en un message

numérique● processus en 3 étapes :

– échantillonnage– quantification– codage

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Échantillonnage

Principe consiste à prélever périodiquement la valeur du signal analogique– transformation d'un signal à temps continu en un signal à

temps discret

Théorème d'échantillonnage de ShannonL'échantillonnage d'un signal de fréquence maximum f

max

est sans perte si la fréquence d'échantillonnage est :F

e ≥ 2 f

max

Pas d'échantillonnage : Te = 1 / f

e

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Quantification

Principeconsiste à représenter un échantillon par une valeur numérique appartenant à une échelle de quantification– introduit une erreur de quantification (d'autant plus

importante que le niveau de quantification est faible et que le pas de quantification est grand)

– utilisation d'échelles logarithmiquesLa quantification donne une suite de valeursappartenant à un ensemble de cardinal fini

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Codage

Principeconsiste à remplacer la suite d'échantillons quantifiés par une suite binaire– s'il y a q = 2n niveaux de quantification, il faut n bits pour

coder toutes les valeurs possibles des échantillons quantifiés

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Exemple de numérisation

Codage MIC (Modulation par Impulsion et Codage) à 28 niveaux (256 niveaux) : application à la voix téléphonique

● support spectral de la voix téléphonique analogique : [300 Hz, 3400 Hz]

● échantillonnage correct (sans perte de qualité) au moins à 2*3400 Hz, valeur "arrondie" par la normalisation à 8000 Hz, soit un échantillon prélevé toutes les 125 µs

● échantillon codé sur 8 bits

Il faut un débit de 64 kbit/s pour transférer de la voix numérique MIC

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Codage en ligne

PrincipeLe codage en ligne associe une représentation physique au message numérique

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Débit binaire (Db )

nombre maximum d'éléments binaires transmis par seconde– T

b étant la durée d'un élément binaire, on a

Db = 1/T

b bit/s

Rapidité de modulation (Rs )

vitesse à laquelle les symboles se succèdent– T

s étant la durée d'un symbole (et donc la durée d'un élément

de signal), on a R

s = 1/ T

s bauds

Valence (V)cardinal de l'alphabet des symboles– r étant le nombre de bits codés par symbole, on a

V = 2r et donc r = log2 V

D = Rs . r = R

s . log

2 V

Débit binaire et rapidité de modulation

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Débit binaire maximum

Théorème de NyquistDonne le débit binaire maximum en fonction de la bande passante du canal et de la valence du signal

– Où W est la largeur de la bande passante– et V la valence du signal

D max= 2 W log2 V

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Codage de l'information

DéfinitionLe but du codage de l'information est de transformer une chaine de bits représentant une information donnée en un signal (électrique, radio etc.) pour qu'il soit transmit a travers un canal de transmission et qui puisse être décoder à l'autre bout du canal

Concrètement on cherche une représentation des 1 et des 0

Deux classes de codageCodage en bande de baseCodage en modulation

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Codage en bande de base

PrincipeOn transmet en bande de base, quand on transmet directement l'information codée sous forme d'un signal carré

Utilisé sur les réseaux locaux – relativement courtes distances

Le signal est représenté par un voltage sur le câble qui peut être positif ou négatif– généralement -5 v et +5 v

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Code « tout ou rien »

On code ● 0 par 0 volt● 1 par + v volts

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Code « bipolaire »

On code ● 0 par 0 volts● 1 par +v ou -v volts en alternance● Permet de mieux distinguer les suites de 1

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Code « NRZ » (No return to zero)

On code● 0 par -v volts ● 1 par +v volts● Permet de mieux différencier les instants de silence et les

suites de 0

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Code « NRZI » (NRZ Inverted space)

On code ● 0 par un changement de niveau

– (-v à +v) ou (+v à -v)● 1 par une absence de changement

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Code « RZ » (Return to zéro)

On code● 0 par 0 volts● 1 par un front montant

– un impulsion au milieu du temps bit

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Code biphasé (ou Manchester)

On code ● 0 par un front montant● 1 par un front descendant

– Plus facile à distinguer, il y a un changement de signe à chaque bit

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Code Manchester différentiel

On code● 0 par un front inversé par rapport au cycle précédent● 1 par un même front que le cycle précédent

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Code Miller

On code● 0 par une absence de changement sur l’intervalle si

changement sur l’intervalle précédent sinon changement● 1 par un front montant ou descendant sur l’intervalle

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Problématique Dans la transmission en bande de base, le signal se dégrade sur les longues distancesUsage limité au réseau local

Signal moduléTransformer un signal carré en signal sinusoïdal modulé– Plus robuste aux dégradations– Utilisation d’un modem (modulateur - démodulateur)

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Modulation Transformer les propriétés d'un signal sinusoïdal pour y introduire de l'information

On peut transformer – l'amplitude– la fréquence– la phase

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Représenter les symboles par des amplitudes distinctes

Avantages – Transporter un signal alternatif est moins coûteux (moins de

perte)– La modulation d'amplitude est un circuit électrique simple

Désavantages– Sensible à la perturbation (orage, ligne électrique ...)

Modulation d'amplitude

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Représenter les symboles par des fréquences distinctes

Avantages – Transporter un signal alternatif est moins coûteux (moins de

perte)– La modulation de fréquence est résistante aux perturbations

(d'amplitude)Désavantage

– Système de démodulation moins trivial à concevoir. (la FM a vue le jour après la AM)

Modulation de fréquence

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Représenter les symbole par des phases différentes

Avantages– Les dispositifs de (dé)modulation de phase permettent de

coder facilement plus de deux états – La modulation de phase est résistante aux perturbations

(d'amplitude)Désavantage

– Système de démodulation non trivial

Modulation de phase

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Combiner les modulations

Superposer les modulationsLes transmissions modulées peuvent combiner plusieurs formes de modulations simultanées.

Exemple1 niveau de modulation d’amplitude + 1 niveau de modulation de fréquence

Permet de coder [0|1] en amplitude et [0|1] en fréquence

En un temps d’horloge, on peut transmettre 2 bits – Qui code un des 4 valeurs (00, 01, 10, 11) – Un signal de valence 4

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PrincipeReprésente les différentes combinaisons de modulation possible en amplitude et en phase – Normalisé pour les UITT

Valence de 8 (3 bits par top)2 niv. amp. x 4 niv. de pha.Rapidité de modulation 1200, 2400 baudsDébit binaire : 3600, 7200 bit/s

Valence de 16 (4 bits par top)8 niv. Pha. + (4 niv. Pha. x 2 niv. Amp.)Rapidité de modulation 2400, 3200 baudsDébit binaire : 9600, 12800 bits/s

Diagramme spatial

15o

45o

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