Procédés physiques de transmission de données - Maxicours

Procédés physiques de transmission de données

Objectifs
Étudier quelques procédés employés de nos jours afin de transmettre des informations. Expliquer quelles sont les qualités et défauts des méthodes utilisées.
1. Transmission par ondes électromagnétiques
Il est possible de transmettre des informations par ondes électromagnétiques. Celles-ci se propagent dans le vide et dans l’air à une célérité de . Les transmissions par ondes datent de fin XIXème début XXème siècle, avec les ondes radio. Leur fréquence est typiquement inférieure à 1 GHz environ. Une onde radio se propage librement, elle n’est pas canalisée : on parle de propagation libre ou de propagation non guidée.

Pour un message vocal, il est vain d’émettre des ondes radio dont les fréquences seraient celles du signal sonore que l’on souhaite communiquer (20 Hz – 20 kHz) : à ces fréquences, les ondes radio sont vite atténuées. Une solution est d’effectuer une modulation : on fait porter notre signal à transmettre (signal modulant) par une sinusoïde de fréquence adaptée, la porteuse.

Il existe divers types de modulation, dont :
La modulation d’amplitude (AM) : le signal fait varier l’amplitude de la porteuse ;
La modulation de fréquence (FM) : le signal agit sur la fréquence de la porteuse.
Dans la pratique, le signal modulant et la porteuse sont des signaux électriques lors de la modulation. Celle-ci est effectuée par des composants électroniques dédiés (multiplieur, …). Ensuite, le signal modulé est converti en onde radio, par le biais d’une antenne d’émission.


Pour capter le signal, une antenne de réception opère la conversion des signaux radio en signaux électriques. A ce niveau là, tous les signaux captés sont mélangés, le nôtre et ceux émis par d’autres. Mais, à chaque signal radio correspond une gamme de fréquence qui lui est réservée, la bande passante, centrée sur la fréquence de la porteuse. On extrait donc notre signal modulé en se « calant » sur la fréquence de la porteuse associée, comme le fait un récepteur radio. Le signal initial est finalement reconstitué par démodulation.

De nos jours, les transmissions par ondes électromagnétiques concernent diverses applications, utilisant les ondes radio, les micro-ondes () ou les infrarouges :

Emissions radiophoniques : AM : 150–280 kHz, 520–1620 kHz, 2,3–26,1 MHz (Europe). FM : 87,5 MHz–108 MHz.
Talkie-Walkie : 446 MHz (exemple).
Télévision (télévision numérique terrestre française) : 470–790 MHz.
ZigBee (transmissions courtes portées) : 868 MHz.
Téléphonie mobile : 880–960 MHz, 1710–1880 MHz (France).
GPS (Global Positioning System) : 1 227,60 MHz et 1 575,42 MHz.
Wi-Fi et Bluetooth (transmissions courtes portées) : 2,4 GHz.
Satellites (télévision par satellite): 2,5–2,655 GHz, 3,7–4,2 GHz, …, 12,5–12,75 GHz.
Télécommandes infrarouges : .

Avantages :
• Possibilité de recevoir les ondes relativement simplement, même dans certaines zones difficiles d’accès : technologie portable.
• Les ondes électromagnétiques n’ont pas besoin de milieu matériel pour se propager : communication avec satellites, stations et sondes spatiales.
• Pour des communications courtes distances (télécommandes, WiFi) disparition de fils de communication : meilleure ergonomie.

Inconvénients :
• Possibilité de brouiller la transmission d’un tiers en émettant sur sa fréquence.
Les bandes de fréquences utilisables sont limitées. Nécessité d’une législation attribuant les bandes de fréquence selon utilisation. Des fréquences sont d’ailleurs réservées : pompier, police, Gendarmerie, armée, etc.
Cryptage requis pour transmettre des informations confidentielles en toute sécurité.
• Très sensibles aux perturbations électromagnétiques, ou même à certains obstacles : orages, éruptions solaires, vallées de montagne très encaissées, etc.
• Sentiment de défiance des populations au sujet des ondes (téléphonie mobile) : effets sur la santé humaine ?
2. Les câbles électriques
Les fils électriques permettent la circulation d’électricité, pour transmettre de l'énergie ou de l’information. Pour le deuxième cas, cela consiste en un mince fil conducteur, souvent en cuivre, recouvert d’un isolant électrique. Les fils sont rassemblés en câbles. Malgré l’isolant, le signal véhiculé est souvent victime de perturbations électromagnétiques extérieures, dont celles causées par les autres fils mitoyens.

Câbles paires torsadés :
Pour limiter les perturbations dues aux autres fils, les fils sont torsadés deux à deux. Ce type de câble est employé par exemple pour les réseaux informatiques locaux (réseaux Ethernet). Mais, l’atténuation du signal est assez forte et il reste sensible aux perturbations extérieures.

Câble coaxial :
Le signal électrique passe par le fil central, l’âme. La masse électrique (le –) est assurée par la tresse de cuivre (appelée blindage) qui entoure l’âme, et l’isole des perturbations électromagnétiques extérieures, selon le principe de la cage de Faraday. Ce type de câble se rencontre pour les câbles de télévision (entre la prise TV et la télévision elle-même). On les emploie aussi pour mesurer des tensions électriques à l’oscilloscope.


Avantages :
Relativement simples et peu onéreux à fabriquer. L’argument du coût tend à ne plus être vrai avec la raréfaction du cuivre.
• A moins d’accéder au fil, l’information risque moins d’être interceptée par un tiers qu’avec une onde radio.
• Contrairement aux ondes hertziennes, il n’y a pas la contrainte liée aux communications simultanées.
Pratiques d’emploi pour de petites distances : montages électriques en TP, etc.

Inconvénients :
Encombrement des fils (bureautique), incompatible avec des installations portables.
Coût de l’installation et de l’entretien des câbles pour des liaisons urbaines et/ou entre villes. Certains sont d’ailleurs enterrés (lignes de téléphonie fixe).
Forte atténuation du signal sur des moyennes et longues distances, échauffement par effet Joule.
Assez sensibles aux perturbations électromagnétiques.
Ne peut pas transporter des signaux très hautes fréquences (effets électromagnétiques) : limitation du débit des informations transmises.
3. Les fibres optiques
Plus la fréquence d’un signal est forte, plus il est capable de transmettre des informations rapidement. La fréquence d’un signal électrique dans un câble est limitée. On peut donc penser à utiliser la lumière. Sa fréquence est supérieure à pour le visible. Comme une transmission non guidée de la lumière induit une forte atténuation, l’idée est de la canaliser dans des fibres optiques. Dans la pratique, la lumière utilisée est issue d’un LASER.

Une fibre optique est constituée d’une fibre en verre de 10 à de diamètre (coeur), entourée d’une gaine optique, constituée par un verre d’indice optique plus faible. Selon la loi de la réfraction de Descartes , cela entraîne l’existence d’un domaine d’angles pour lequel la lumière se propageant dans le cœur subit une réflexion totale.


L’angle maximal selon lequel le faisceau lumineux doit être introduit dans le cœur vérifie la relation , où , et désignent respectivement l’indice optique de l’air, du cœur et de la gaine. est nommée ouverture numérique. Au dessus de cette valeur, le faisceau sortira de la fibre. En-dessous de cette valeur, dans une fibre à saut d’indice, le faisceau va se propager dans le cœur en rebondissant sur l’interface cœur/gaine, jusqu’à parvenir à l’autre extrémité de la fibre.


Dans la pratique, il n’y a pas qu’un faisceau qui se propage dans la fibre, mais plusieurs, selon des angles différents. On nomme modes ces différents rayons lumineux. Ils ne vont pas parcourir la même distance dans la fibre, et ne vont donc pas arriver en même temps de l’autre côté, ce qui provoque une déformation du signal reçu (étalement dans le temps).

Dans une fibre à gradient d’indice, l’indice varie entre le cœur et la gaine de manière continue. En conséquence, le faisceau n’a plus l’allure de lignes brisées, mais d’une courbe. Pour ces fibres, la déformation du signal est moins prononcée que pour les fibres à saut d’indice.

Pour annuler complètement ce défaut, des fibres monomodes comportent un cœur de diamètre faible (), n’autorisant qu’un seul mode de propagation. Elles sont utilisées pour des transmissions longues distances (centaines/milliers de km).







Avantages :
Autorisent de très hauts débits de transmission de l’information.
• Adaptées à la transmission de signaux numériques (codés en binaire).
Insensibles aux perturbations électromagnétiques, information sécurisée.
• Autorisent des communications sur des très longues distances, de l’ordre de plusieurs milliers de kilomètres. Des fibres optiques sous-marines traversent des océans entiers.
Peu chères en entretien, pas d’effet Joule.
Faible atténuation du signal, même sur de grandes distances.

Inconvénients :
Plus chères à fabriquer et à installer que des fils de cuivre.
Relativement fragiles, ne doivent pas être trop courbées.
L'essentiel
De nos jours, on recense divers procédés pour transmettre des informations :
Ondes électromagnétiques, en particulier les ondes radio. Cela constitue une propagation libre du signal. Cette méthode est pratique pour du matériel portable, mais est sensible aux perturbations électromagnétiques.
Câbles électriques. Il s’agit d’une propagation guidée. Les signaux électriques sont fortement atténués sur de moyennes et longues distances, sont assez sensibles aux perturbations électromagnétiques, et sont limités en débit.
Fibres optiques : propagation guidée d’un signal lumineux. Le signal est insensible aux perturbations électromagnétiques, peu atténué même sur de grandes distances. Les fibres optiques sont compatibles avec les signaux numériques à très hauts débits.

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