La couche physique

1. La couche physique

2. Sommaire • Rappel structure en couches • Présentation • Milieux de transmission • Signaux, ondes, analyse de Fourier • Fitrage des fréquences • Modulation • Conversion analogique-numérique et réciproque • Taux de transmission • Théorie de l’information • Standards et interfaces

3. Rappel structure en couches • La pile de protocoles est structurée en couches, chaque couche prend des données de la couche supérieure, les traite et les fournit à la couche inférieure, ayant un dialogue uniquement avec sa couche correspondante

4. Rappel de la structure en couche

5. Présentation • Assure l’interface avec le matériel • Prend en charge la bonne conversion des signaux digitaux en signaux analogiques, la modulation, l’émission physique sur la ligne de communication • La réception, le filtrage du bruit, et la reconversion en signaux digitaux

6. Milieux de transmission • Câbles électriques • Fibres optiques • Espaces, ondes électro-magnétiques

7. Câbles électriques • Câbles simples (dans l’air) • Utilisés tout au début de l’époque des communications électriques (télégraphe …) • Début du XXème : trop grande agglomération • Problème de dégradation, parasitage • Passage à des câbles enterrés

8. Câbles électriques • Paire torsadée • Compensation des perturbations par les champs des deux fils enroulés • Deux types : blindés et non-blindés • Utilisée à grande échelle pour connecter des appareils téléphoniques individuels au réseau, les ordinateurs dans un réseau local • Bon marché

9. Câbles électriques • Câble coaxial • Très bonne protection contre les signaux, grâce à l’écran formé par la gaine métallique • Prix plus élevé, mais très large bande passante, avec des fréquences élevées qui peuvent être transmises • Utilisé dans certains réseaux locaux, dans la télévision, et dans les lignes plus importantes de téléphonie

10. Fibres optiques • Beaucoups d’avantages : bande passante plus large, sensibilité réduite aux perturbations, difficulté d’écoute intempestive, coût réduit de fabrication • L’interconnexion : passive, active, mécanique, par soudage ou collage, ou fusion • Transmission : laser ou LED, monomode ou multimode

11. Ondes électromagnétiques • Transmission de surface – antennes « en vue » • Transmission réfléchie sur la ionosphère pour certaines longueurs d’onde • Transmission par satellite – large couverture, mais possibilité d’écoute et latence élevée (trajet) • Réseaux cellulaires

12. Signaux, ondes, analyse de Fourier • Il est possible de décomposer tout signal (vu comme fonction du temps) en une somme infinie de fonctions trigonométriques usuelles, et d’en calculer les coefficients

13. Filtrages des fréquences • Tout canal de transmission a des limitations pour ce qui est des fréquences qu’il laisse passer • C’est la Bande Passante

14. Modulation • Processus par lequel on encode l’information dans les paramètres du signal • Plusieurs types • Amplitude : • Fréquence : • Phase :

15. Modulation - suite • Pour les signaux numériques à transmettre, le nombre de valeurs distinctes du paramètre modifié donne, en logarithme, le taux de compression • On peut aussi combiner ces types et il faut alors compter, pour le taux de transmission, le nombre total de valeurs combinaisons possibles

16. Conversion analogique-numérique • Les réseaux de communication utilisent depuis longtemps cette technique car : • Les signaux analogiques sont atténués, distordus, perturbés par le bruit • Les signaux numériques sont plus faciles à reconstituer même après des perturbations • La conversion comporte une phase d’échantillonage qui doit être faite à une fréquence supérieure au double de la fréquence la plus haute (théorème Nyquist)

17. Modalités de conversion analogique-numérique • Modulations de codes pulsés : numérisation logarithmique pour densifier les zones de petites amplitudes • Modulations différentielle de codes pulsés : on envoie non pas la valeur numérisée, mais la différence entre deux échantillons successifs (gain dû à une certaine redondance)

18. Modulation delta : on envoie seulement un bit, codant le signe de la différence entre les échantillons • Modulation delta à variation continue de la pente : on envoie un bit, codifiant la pente d’évolution du signal

19. Conversion numérique-numérique • Différentes nécessités selon l’endroit : intérieur d’un ordinateur, lignes de communication courtes, longues … • Nécessité impérative de synchronisation: bits spéciaux, ou recodification de l’information • Caractéristiques : • Signal polarisé ou non (± ou non) • Signaux bipolaires (trois valeurs) • Inversion alternée : changement de codification en cas de 1 (resp. 0) successifs • Compromis : simplicité, facilité de synchro., détection, correction d’erreurs

20. Quelques codes utilisés

21. Comparaison • NRZ – simple, efficace, mais pas de synchronisation en cas de séquences longues • RZ – moins efficace, mais bonne synchronisation • Manchester – bonne synchronisation, moins efficace que NRZ • AMI bipolaire - détection de violation de parité mais pas synchonisation si séquence de 0 • CMI – sensible à la désynchronisation

22. Capacités de transmission • Le taux effectif de transmission de changements des paramètres du signal (baud) • Le nombre de bits (éventuellement plus élevé si un baud représente plusieurs bits) • Limitation de Nyquist – capacité Cs sans bruit, bande passante W et L niveaux pour les bauds : Cs = 2W. log2 L

23. Limitation Shannon - capacité Cb avec bruit de puissance N, par rapport au signal de puissance S et une bande passante W : Cb = W. log2 (1+S/N)

24. Théorie de l’information - Shannon • Dans cette théorie, l’information n’est pas à confondre avec la signification. L’information mesure la liberté de choix parmi plusieurs messages, au niveau « syntaxique », sans se soucier du contenu des messages ; ce concept s’applique donc à la situation de choix en général et pas seulement à des messages individuels

25. Théorie de l’information • Arbitrairement, la situation où il y a seulement deux messages possibles, avec une chance égale, a une unité d’information, appelé bit • De manière générale, lorsque les probabilités d’apparition ne sont plus équivalentes, l’information peut être mesurée par une fonction d’entropie :