LES COMMUNICATIONS
INTRODUCTION À LA PHYSIQUE EXPÉRIMENTALE
PHYSIQUE EXPÉRIMENTALE
Physique expérimentale et introduction mathématique aux sciences
Physique experimentale aux concours de l'enseignement
Physique expérimentale 1 Présentation
LE RAPPORT A L'EXPERIMENTAL DANS LA PHYSIQUE
Physique expérimentale 3 Présentation
Etude théorique et expérimentale des propriétés physiques d
Méthodes expérimentales en physique des solides PHY 760

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Evolution des réseaux de télécommunication Bases de télécommunication Encore un peu de culture technologique ! Voies de communication et réseaux Les "tuyaux" employés pour transmettre l'information (sous forme de signaux analogiques ou numériques) sont constitués de liaisons dont la nature est diverse : fils de cuivre, câbles coaxiaux, fibres optiques ; il existe également des liaisons "sans fil", la transmission consistant en l'émission et la réception d'ondes électromagnétiques (comme la radio par exemple).

Dans ce qui suit, on s'intéressera uniquement à la communication entre ordinateurs que l'on a coutume d'appeler des "stations" quand ils sont reliés en réseaux.

Un réseau est constitué d'un ensemble de liaisons.

Les dispositifs (ce sont aussi des ordinateurs) qui effectuent la connexion des liaisons pour constituer des réseaux portent des noms différents suivant leurs fonctionnalitĠs.

En gĠnĠral, il sΖagit de nƈuds de commutation permettant ă une information provenant d'une liaison entrante de continuer son chemin sur une liaison sortante : L'exemple de réseau indiqué ci-dessus est assez courant ; il représente trois réseaux locaux interconnectĠs. les nƈuds de commutation sont appelĠs ici nƈuds dΖinterconnedžion.

LΖintĠrġt de l'interconnexion est que l'on peut communiquer entre machines appartenant à des réseaux différents (et qui obéissent à des règles de communication différentes !).

En fait, le réseau précédent est un réseau de réseau. Le plus grand réseau de réseaux est bien connu : c'est Internet.

Un réseau peut être utilisé en mode client-serveur : une station désire obtenir des services d'une station placée ailleurs (par exemple sur un autre réseau interconnecté).

La station demandeuse de services est appelée poste client ; la station fournissant les services est appelée serveur.

Le processus client-serveur se déroule en 3 phases : le poste client envoie au serveur une requête de services le serveur effectue les services demandés le serveur renvoie au poste client les résultats du service.

Un exemple bien courant de mode client-serveur consiste à demander une page Web à un serveur Web : le poste client envoie l'URL (l'adresse) de la page désirée ; les fonctionnalités des réseaux permettent à partir de cette adresse de trouver la machine (serveur) pouvant fournir cette page Web le serveur retrouve et prépare la page Web le serveur envoie la page Web au poste client Les services proposées par les réseaux sont assez nombreux ; en voici quelques exemples : EDI = Electronic Data Interchange = Echange de données informatiques messagerie transfert de fichiers lancement de procédures distantes ( client/serveur) partage de données accès à des bases de données centralisées ou réparties partage d'applications : accès à des "valises" de logiciels partage de périphériques : accès à des imprimantes, des traceurs, , à des accès réseau archivage : utilisation d'espace disque pour l'archivage ou la sauvegarde Comment transite l'information ? L'information, une fois codée, est transmise, comme on l'a vu, sous forme de signaux analogiques ou numériques.

Prenons pour commencer le cas d'une transmission par des signaux analogiques. Le type le plus simple de signal analogique est le signal sinusoïdal.

On pourra alors, dans le cas de signaux sinusoïdaux, pour transmettre de l'information numérique (suite de 0 et de 1) utiliser le procédé suivant : .

1) On considğre des signaudž sinusoŢdaudž de durĠe identiƋue ȴ (appelĠe moment). . 2) On transmet un "0" avec un signal sinusoïdal ayant une fréquence f1 : .

3) On transmet un "1" avec un autre signal sinusoïdal ayant une fréquence f2 (ici double de f1) : Sur l'animation ci-dessous, est simulée l'envoi de 0 et de 1 : "0" "1" Envisageons un autre exemple avec cette fois des signaux numériques (toujours de même moment ȴ) ͗ on emploie 4 signaudž discernables par leur amplitude.

Comme il y a 4 signaudž, chacun dΖeudž peut transporter 2 bits puisque avec 2 bits on peut faire 4 combinaisons : 00, 01, 10, 11.

L'envoi successif des bits 01101011001011 correspond au train de signaux suivants : L'exemple ci-dessus ne donne qu'une des nombreuses possibilités d'utiliser des signaux bien définis pour transmettre des bits.

Nous allons en voir d'autres dans ce qui suit. Rapidité de modulation et débit binaire Un message est constituĠ dΖune succession de signaudž (analogiƋues ou numĠriƋues) de durĠe Ġgale ȴ (moment élémentaire).

Ces signaux se propagent sur une voie de transmission à la vitesse de la lumière (3.108 m/s dans le vide et à peu près la même valeur dans le verre, environ 2.108 m/s dans un conducteur métallique).

On peut donc déjà concevoir que la vitesse de propagation n'est pas, en général, un facteur contraignant (sauf cas particuliers).

Le facteur contraignant est la cadence avec laquelle on "met" les signaux sur la voie.

Cette cadence est définie par la relation rapidité de modulation : R с 1ͬȴ ( en bauds). Si le message est binaire, chaque signal transporte n bits (quantité d'information).

On est alors conduit à définir le débit binaire ͗ ȴ с nR (en bits/s) qui correspond à la cadence avec laquelle on "pose" les bits sur la voie. exemple ͗ ǀidĠotedž (le bon ǀieudž Minitel dΖautrefois ͊) ͗ R с 1200 bauds et ȴ с 1200 bitsͬs.

Ceci signifie qu'un signal élémentaire transporte un seul bit.

Un écran chargé a un volume approximatif de 2 Ko ; par suite, en négligeant le temps de propagation, le temps approximatif du transport est 13,3 secondes ce qui est, de nos jours, important. Examinons quelques situations pour expliciter et illustrer les définitions relatives à la rapidité de modulation et au débit binaire. cas 1 : transmission de données numériques par des signaux analogiques ; modulation de fréquence ǻ ǻ cas 2 : transmission de données numériques par des signaux analogiques ; modulation de phase ǻ ǻ cas 3 : transmission de données numériques par des signaux numériques ; modulation d'amplitude ǻ ǻ Un exemple plus complet Supposons que l'on ait une collections de 8 signaux sinusoïdaux différant par leur phase et leur amplitude : Avec cette collection de signaux, on peut transporter 3 bits par signal puisque 23 = 8 (les 8 combinaisons de 3 bits sont en effet 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111). Imaginons que l'on ait à transmettre la suite de bits 001101011010011010111010110100111000.

Il suffit de décomposer cette suite en paquets de 3 bits et de faire correspondre à chaque triplet de bits un signal suivant le code : S1 : 000 S2 : 001 S3 : 010 S4 : 011 S5 : 100 S6 : 101 S7 : 110 S8 : 111 On aura alors, pour la suite précédente, le train de signaux suivant : Supposons que la rapidité de modulation soit R = 4800 bauds.

Ceci signifie que le moment (durée) dΖun signal est ȴ с 2.10-4 seconde.

Le dĠbit est ȴ с 3dž4800 с 14400 bitsͬs. Un autre exemple On désire maintenant utiliser des signaux numériques pour transmettre la suite de bits : 001101011010011.

On utilise un système de codage par signaux numériques appelé "bipolaire RZ" (RZ signifie Return to Zero).

Ce code consiste à faire correspondre un niveau 0 (tension nulle) pour représenter un "0" et une transition niveau non nul (alternativement positif et négatif) vers 0 pour représenter un "1" . Chaque signal transporte ici un seul bit, donc la rapidité de modulation et le débit binaire s'expriment par le mġme nombre (par edžemple R с 2 Mbauds et ȴ с 2 Mbitsͬs) Le train de bits s'exprimera donc par la suite de signaux : Décomposition d'un signal quelconque Sur les voies de communication électroniques circulent des signaux divers ; ces signaux se mélangent et le résultat est, de toute manière, un signal quelconque.

Ce signal peut être périodique s'il se reproduit régulièrement ou non périodique.

Un signal peut se représenter graphiquement au cours du temps par sa puissance ou une grandeur qui lui est reliée (une tension électrique par exemple). exemple de signaux quelconques : Il est démontré mathématiquement (Fourier), que tous ces signaux peuvent être considérés comme une superposition de signaux sinusoïdaux, donc de signaux simples.

Ces signaux élémentaires, qui portent le nom d'harmoniques, ont des fréquences, des amplitudes et des phases différentes.

La puissance du signal est proportionnelle au carré de l'amplitude et, en général, un signal quelconque peut se résumer à quelques signaux élémentaires de puissances non négligeables ; les autres sont négligés (si leur puissance est ridicule par rapport à la puissance des premiers). On conçoit bien l'importance de ce résultat : chaque signal complexe peut être décomposé en signaux sinusoïdaux élémentaires "voyageant" indépendamment les uns des autres.

Il suffit alors de vérifier si tous les signaux élémentaires partis d'un émetteur arrivent bien au récepteur.

En réalité non, car les signaux rencontrent deux difficultés principales : ils s'épuisent au cours du trajet : ils perdent de la puissance tout au long de la voie de transmission et au bout d'un moment ils ne sont plus perceptibles ; les signaux les plus puissants ont des chances d'arriver au bout du trajet ; les signaux de faible puissance risquent fort de disparaître.

C'est le problème de l'affaiblissement des signaux ils rencontrent des perturbations électromagnétiques qui les modifient ; par suite ils ne sont plus le véhicule de l'information de départ.

C'est e problème du bruit.

Nous étudierons séparément ces deux problèmes plus loin. Illustrons par un exemple la décomposition d'un signal quelconque. exemple : Considérons le signal périodique ci-dessous, qui correspond par exemple à un signal d'horloge : Ce signal se décompose en série de Fourier (oui, les mathématiques servent à quelque chose !!) : Le nombre d'harmoniques est infini, mais on peut se limiter aux trois signaux élémentaires de plus grande puissance s1(t), s3(t), s5(t) et négliger les autres. Les figures suivantes donnent la physionomie des composantes s1(t), s3(t), s5(t) et leur somme.

On constate que la forme du signal s(t) est grossièrement reconstituée.

En ajoutant indéfiniment les autres composantes, le signal sera complètement reconstitué. Affaiblissement d'un signal Comme on l'a signalé plus haut, un signal perd de la puissance lorsqu'il transite sur une voie de communication.

En dessous d'une certaine puissance limite, on peut considérer le signal comme "évanoui".

Si un signal sinusoïdal part de l'émetteur avec une puissance Pe et arrive au récepteur avec une puissance Ps (inférieure ) Pe), l'affaiblissement du signal est exprimé en décibels (dB) par la relation : A(f) = 10 log10(Pe/Ps) (en décibels) Dans cette relation les puissances Pe et Ps sont exprimées en Watts (unité légale de puissance).

On écrit A(f) car l'affaiblissement dépend, entre autres facteurs, de la fréquence du signal sinusoïdal.

Bien entendu, il dépend aussi de la longueur du trajet et de la nature du support de communication. exemple : un signal sinusoïdal possède au départ une puissance de 1 Watt ; il arrive à destination avec une puissance de 0,001 Watt.

Son affaiblissement en décibels est : A = 10 log10(1/0,001) = 10log10(1000) = 10log10(103) = 30log10(10) = 30 dB La figure ci-contre montre graphiquement un exemple de variation de l'affaiblissement en fonction de la fréquence pour un support donné et une distance donnée. On peut constater que pour une fréquence optimale f0 l'affaiblissement est moindre. Lorsque la distance est grande et que les signaux ont toute chance de s'essouffler (comme tout le monde !), on peut envisager de disposer régulièrement sur la voie de transmission des dispositifs "remusclant" les signaux ; il s'agit de répéteurs. Largeur de bande Considérons le cas d'un signal quelconque ; comme on l'a vu, il peut être considéré comme une famille de signaux sinusoïdaux de fréquences différentes ; chaque signal élémentaire va se comporter différemment par rapport à une limite d'affaiblissement fixée.

Comme leurs fréquences sont différentes, ils seront plus ou moins affaiblis et à l'arrivée, certains d'entre eux ne seront plus discernables.

Si on se définit un seuil d'"audibilité" A0, tous les signaux sinusoïdaux qui ont une fréquence inférieure à f1 seront considérés comme perdus ; de même ceux qui ont une fréquence supérieure à f2 seront aussi considérés comme perdus. Seuls seront perceptibles à l'arrivée, les signaux qui ont une fréquence comprise entre f1 et f2.

Cette plage de fréquence est appelée la bande passante ou largeur de bande de la voie. Autrement dit, étant donné un signal complexe quelconque, ce signal sera relativement bien transmis si ses composants sinusoïdaux ont des fréquences comprises dans la largeur de bande.

On peut aussi remarquer que plus la largeur de bande est grande, meilleur est le signal à l'arrivée ce qui explique pourquoi on est très intéressé à utiliser des voies de transmission avec une grande largeur de bande (il y a d'autres raisons). exemple : la largeur de bande de la ligne téléphonique est 3100 Hz car les fréquences vocales sont comprises entre 300 Hz et 3400 Hz. Tout ce qui précède est vrai , qu'il s'agisse de signaux analogiques ou de signaux numériques.

Lorsque des données numériques sont transportées par des signaux analogiques, la performance est caractérisée par la rapidité de modulation R (ou par le débit D si l'on connaît le nombre de bits transportés par chaque signal).

Y a-t-il un rapport entre la rapidité de modulation R et la largeur de bande W ? Il a été démontré que oui.

Nyquist, en 1928, a établi un rapport théorique entre la rapidité maximum de modulation et la bande passante W : Rmax = 2 W Ce résultat est théorique et, dans la pratique, Rmax = 1,25 W. exemple : Sachant que, pour le Minitel (reprenons ce vieil exemple historique des télécommunications françaises), la rapidité de modulation est 1200 bauds, quelle bande passante est nécessaire ? En utilisant la relation théorique de Nyquist, la bande passante nécessaire est W = 600 Hz. Bruit Le long de voies de télécommunication, les signaux rencontrent des aleas fort nombreux dus aux diverses perturbations électromagnétiques, surtout accidentelles, qu'ils rencontrent.

Le bruit consiste en signaux parasites qui se superposent au signal transporté et qui donnent, en définitive, un signal déformé : On distingue 3 types de bruit : bruit déterministe (dépend des caractéristiques du support) bruit aléatoire (perturbations accidentelles) bruit blanc (agitation thermique des électrons) Le bruit le plus gênant est évidemment le bruit aléatoire.

Il peut modifier notablement le signal à certains moments et produire des confusions entre "0" et "1".

Pour cette raison, il faut veiller à ce que la puissance du signal soit supérieure à celle du bruit.

Le paramètre correspondant est le rapport "signal sur bruit" S/B défini en décibels par : où PS (puissance du signal) et PB (puissance du bruit) sont exprimées en Watts. exemple : un signal possède une puissance 1000 fois supérieure à celle du bruit ; quel est le rapport S/B ? S/B = 10log10(103) = 30log10(10) = 30 dB.

Shannon a démontré en 1948 que le rapport S/B limite le nombre maximal de bits qui peuvent être transporté par un signal : Attention, le logarithme est ici à base 2 ! En combinant les résultats de Nyquist et de Shannon, on peut déduire le débit maximal d'une voie de communication connaissant la bande passante et le rapport S/B.

En effet : soit exemple : Si une ligne téléphonique possède une largeur de bande de 3100 Hz et si le rapport S/B est de 20 dB, quel est le débit maximal admissible sur cette ligne (autrement dit, combien de bits par seconde peut-on envoyer au maximum ?) ? Il faut d'abord convertir en rapport de puissances Ps/PB la valeur en décibels : S/B = 20 = 10log10(PS/PB) soit 2 = log10(PS/PB) soit PS/PB = 100 ; Dmax = 3100 log2(101) = 20 640 bits/s Notion de trafic Les voies de communication servent à communiquer entre correspondants. En général pour effectuer cette communication ou session (on utilisera ici les deux mots sans distinction), on passe par trois phases : phase 1 : établissement de la session phase 2 : échange de données phase 3 : terminaison de la session Lorsqu'il n'y a pas de communication, la voie est inactive ou "non occupée".

L'usage d'une voie est donc une alternance de sessions et de "silences" entre les sessions. exemple 1 : une communication téléphonique est une session.

On l'établit en faisant le numéro de l'abonné que l'on veut joindre ; lorsque celui-ci décroche, la session est établie.

Lorsque celui-ci raccroche, la session est terminée. exemple 2 : lorsque l'on se connecte à un serveur web avec un poste client, la session est établie dès que l'on obtient le page d'accueil du site dont on a donné l'adresse.

On peut ensuite "naviguer" dans ce site , puis fermer le navigateur ce qui met fin à la session.

Lorsqu'une voie est louée globalement, au mois par exemple, on a intérêt à l'utiliser le plus possible car on paie aussi bien les sessions que les silences.

La mesure de l'activité sur une voie de communication conduit à la notion de trafic. Le trafic est tout simplement le temps d'utilisation d'une voie pendant 1 heure (3600 secondes).

Il est donné par la relation Le trafic s'exprime en Erlangs (du nom d'un ingénieur en télécommunication).

Dans la relation précédente, Nc indique le nombre de sessions (ou communications) par heure et T est la durée moyenne d'une session (ou communication) en seconde. exemple 3 : Sur une ligne téléphonique, un télé-conseiller répond à des appels à raison de 20 communications par heure d'une durée moyenne de 2 minutes.

On a Nc = 20 et T = 120 s.

On en déduit le trafic : E = 2400/3600 = 0,66 Erlangs Cela signifie que la ligne est utilisée à 66%. exemple 4 : un télé-travailleur à domicile se connecte sur un serveur pour y effectuer des opérations de mises à jour de fichi