Chaîne de transmission d'informations - signaux analogique et numérique - Maxicours

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Chaîne de transmission d'informations - signaux analogique et numérique

Objectifs
Donner une description générale d’une chaîne de transmission d’informations. Puis, se focaliser sur les chaînes de transmission modernes. A cette occasion, définir les signaux analogique et numérique. Insister sur la description du langage binaire.
1. Les chaînes de transmission d'informations
a. Présentation
A travers les âges, les êtres vivants ont développé leurs moyens de communication : cris d’alerte de loups, miaulements de chats, etc. De son côté, l’Homme a mis au point un langage oral de plus en plus étoffé. Par la suite, l’invention de l’écriture apparait comme un moyen de communication autorisant le stockage de l’information et sa transmission sur de grandes distances : lettres, ... Avec la découverte de l’électricité et des ondes radios, la communication a franchi un nouveau cap, permettant des transmissions orales (téléphone) ou écrites (télégraphe) plus rapidement qu’avec un déplacement matériel (coursiers à pied, cheval, …). De nos jours, les satellites et fibres optiques autorisent la transmission de données diverses à très hautes vitesses sur des milliers de kilomètres…

Parmi les moyens de communication cités, on relève des points communs :
• Il y a un expéditeur (source) du signal et un ou des destinataires (cible(s)).
• L’information transmise obéit à une codification, normalisation, maîtrisée par les deux intervenants. Pour le discours oral humain, cela passe par la langue employée.

Depuis l’écriture, il y a aussi une possible conversion du message d’une forme en un autre. Par exemple, le télégramme est écrit par une personne, traduit en morse, transmis, puis est reçu, retraduit en langage courant et donné à son destinataire.
b. La chaîne de transmission de l'information
D’une manière générale, une chaîne de transmission de l’information présente les étapes :
Transduction du message à émettre : conversion d’une grandeur physique en une autre. Exemple : microphone, qui transforme le signal sonore en signal électrique.
Encodage du message. Exemple : conversion analogique / numérique.
Emission du message. Exemple : émission par ondes hertziennes.

On parle de canal de transmission pour désigner la manière dont le signal est transmis : par ondes radios, par câble cuivre, par fibre optique, … On fait une distinction entre les milieux de propagation sans support physique (ondes) où le signal se propage librement dans un « milieu ouvert » et ceux avec support physique (câble, fibre optique) où le signal est canalisé.

Réception du signal. Exemple : antenne de télévision.
Décodage du message. Son rôle est contraire de celui de l’encodeur.
Transduction du signal en une grandeur physique perceptible par le destinataire. Exemple : haut-parleur : transformation du signal électrique en signal sonore.


Remarque : ce graphe est exhaustif vis-à-vis des diverses étapes. Dans la littérature, l’encodeur et l’émetteur sont quelquefois fusionnés, tout comme le récepteur-décodeur. D’autre fois, certains graphes peuvent se focaliser sur les étapes se trouvant entre les 2 transductions.

Le codage (au sens large) des signaux à transmettre se justifie pour diverses raisons, dont :
Contraintes techniques. Pour les communications radios, une onde hertzienne de même fréquence qu’un son audible est vite atténuée. Le signal est donc porté par une onde (porteuse) de fréquence adaptée, via un codage (modulation).
Communications simultanées. Toujours avec les ondes, il ne faut pas que des communications simultanées interfèrent entre elles. On utilise alors des fréquences différentes, ou du multiplexage (transmettre plusieurs signaux sur un même canal).
Confidentialité de l’information transmise : le message transmis peut être réservé à une personne ou un groupe. Si le signal est intercepté par une tierce personne, un cryptage peut l’empêcher d’avoir accès au contenu du message.
2. Les signaux analogiques et numériques
Dans les chaînes de transmission de données modernes, on rencontre deux types de signaux : les signaux analogiques et numériques.
a. Signal analogique
Un signal analogique est associé à une grandeur réelle variant dans le temps de manière continue.
Cela veut dire que les variations de la grandeur étudiée en fonction du temps peuvent être représentées par une courbe. Celle-ci ne présente pas de discontinuité, c'est-à-dire de cassure ou de brusque saut d’une valeur à un autre.

Le signal en entrée d’une chaîne de transmission d’information est typiquement un signal analogique, résultant de la mesure d’une grandeur physique avec un capteur adapté : pression engendrée par une onde acoustique (voix ou son en général), température, etc.

Un défaut d’un signal analogique est qu’il s’altère lors de sa transmission. D’autre part, un signal analogique est difficile à traiter.
b. Signal numérique
Un signal numérique ne peut prendre que certaines valeurs déterminées : on parle de quantification. Le signal numérique passe d’une valeur à l’autre par paliers. D’autre part, ces variations ne peuvent avoir lieu que pour des instants bien déterminés, régulièrement espacés les uns des autres : le temps prend une valeur discrète. On parle d’échantillonnage.

Dans une chaîne de transmission de l’information moderne, le signal analogique associé au message initial est souvent converti en données numériques (encodage). Le signal numérique est transmis via un signal électrique (câble cuivre), ou un signal lumineux (fibre optique), ou par onde (téléphonie mobile), etc.

Le signal numérique ne présente pas les défauts de l’analogique. Il est certes altéré durant sa transmission, mais peut être remis en forme, en principe sans perte d’information. Il est d’autre part facile à traiter. Mais, en fin de chaîne, le signal numérique est reconverti en signal analogique pour être restitué en tant que grandeur physique perceptible (onde sonore …).

Un signal numérique est une suite de nombres qui, selon l’usage, ont diverses significations. Concrètement, ces nombres sont codés sous la forme d’une suite de 1 et de 0. Pour un signal électrique de type numérique, le 1 correspond à l’application d’une tension, le 0 est lié à une tension basse, ou une absence de tension appliquée.

3. Le langage binaire
Les nombres formant le signal numérique sont exprimés en base 2 : le 0 et le 1 sont les deux seuls chiffres possibles. C’est le langage binaire. Pour rappel, nous comptons en base 10, car nous disposons de 10 chiffres différents, de 0 à 9. Comme en base 10, le langage binaire est un système de numération positionnelle : le nombre décimal 58 est différent de 85, le nombre binaire 01 est différent du nombre binaire 10.
a. Le bit, l'octet et ses multiples
Un chiffre binaire (0 ou 1) constitue un bit (binary digit). Dans la pratique, les bits sont regroupés pour former des nombres : c’est comme l’association de lettres pour former un mot. D’ailleurs, on parle de mot binaire pour désigner un groupement de bits. Les rassemblements se font habituellement par puissance de deux : 4 bits, 8 bits, 16 bits, … Un groupement de 8 bits est nommé octet (byte en Anglais). Un bit peut valoir 0 ou 1 (2 possibilités), donc un octet peut coder valeurs différentes. Un mot de n bits peut coder valeurs différentes.


Comme avec les unités du système métrique, l’octet possèdes des multiples, mais évidemment pas de sous-multiples. Le kilooctet (ou kilo-octet) (ko) vaut 1000 octets, le mégaoctet (Mo) vaut octets, le gigaoctet (Go) octets, etc. Toutefois, comme l’octet est issu d’une grandeur en base 2 et non 10, les grandeurs suivantes ont aussi été définies :

Nom kibioctet mébioctet gibioctet
Symbole Kio Mio Gio
Valeur

kibioctet s’écrit aussi kibi-octet. On note que , , , proches (mais différents !) respectivement du kilooctet, mégaoctet et du gigaoctet définis plus haut. Cela explique la confusion qui est faite très souvent entre ces deux types de multiples. Pour information, les valeurs données par un ordinateur sont en Kio, Mio ou Gio. Exemple : un fichier de 1 996 560 octets fait environ 1950 Kio ou 1,90 Mio.
b. Conversion décimal-binaire-hexadécimal
Le tableau ci-dessous établit la conversion entre un nombre décimal et binaire. Le décimal 16 est égal à 1000 en binaire : il doit donc être codé au moins sous 5 bits. On préfèrera alors l’exprimer sous 8 bits, comme 0001 0000 …

Valeur
décimale
Valeur
binaire
Valeur
hexadécimale
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
10000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
10

Nous avons aussi fait apparaître la conversion en hexadécimal, qui est un système de numération en base 16. Il dispose donc de 16 chiffres : 0 .. 9, et A, B, C, D, E, F. Son intérêt est que tout chiffre hexadécimal correspond à un nombre binaire 4 bits. Par exemple, 11111111 en binaire se comprend comme 1111 1111 donc FF en hexadécimal (255 en décimal). Cette propriété de concaténation n’est pas permise par la base 10 : le binaire 1111 1111 n’est pas égal à 1515 en base 10. En conséquence, l’écriture hexadécimale permet une écriture plus condensée de données numériques.
L'essentiel
• Une chaîne de transmission de l’information correspond à une succession d’étapes : transduction, encodage, émission, réception, décodage, transduction. Dans les chaines modernes, des signaux analogiques et numériques sont employés.

• Un signal analogique évolue de manière continue en fonction du temps. Il correspond à l’évolution d’une grandeur physique ordinaire.

• Un signal numérique ne peut prendre que certaines valeurs, il y a quantification. Le signal numérique est échantillonné : il ne peut varier qu’à certains moments, le temps prend une valeur discrète.

• Un signal numérique code des nombres en langage binaire. Cela correspond à une suite de 0 et de 1. Un chiffre binaire est un bit, 8 bits forment un octet.
Pour aller plus loin
La fiche conversion analogique / numérique montrera les techniques pour effectuer des conversions binaire / décimal et inversement. Ces calculs peuvent également être effectués par des commandes intégrées des calculatrices graphiques ou des outils informatiques (programme calculatrice de l’ordinateur).

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