Couche physique des systèmes et réseaux

• Ce document traite de la couche physique des systèmes et réseaux, abordant la nature de l'information, les supports de transmission, et les techniques associées.

Nature de l'information

• Distinction entre informations analogiques, variant continûment dans le temps, et informations numériques, variant de manière discrète.
• Les signaux analogiques peuvent prendre une infinité de valeurs (ex: parole, musique).
• Les signaux numériques prennent un ensemble fini de valeurs (ex: suite de caractères).
• La numérisation transforme un signal analogique en numérique par échantillonnage, quantification, et codage.
• L'échantillonnage prélève des échantillons du signal à une cadence déterminée.
• Théorème de Shannon : la fréquence d'échantillonnage (Fe) doit être supérieure au double de la fréquence maximale du signal (Fmax), Fe > 2*Fmax.
• La quantification approxime l'amplitude continue par une amplitude discrète, associant à chaque échantillon une valeur d'un ensemble de 2n valeurs possibles.
• Le codage représente les 2n niveaux quantifiés par des valeurs numériques (suite de n bits).

Avantage du numérique

• Le message est transmis sans altération.
• La transmission numérique est plus efficace que l'analogique, avec un facteur de 5 à 10, grâce au multiplexage.
• Tous les messages ont une représentation unique, favorisant l'unification des standards et le multimédia.
• La numérisation entraîne une normalisation des fichiers : MP3 pour le son, JPEG pour les images, et MPEG pour la vidéo.

Supports de transmission

• La bande passante (W, exprimée en Hz) caractérise un support de transmission, définissant la plage de fréquences où les signaux sont correctement reçus : W = Fmax - Fmin.
• La bande passante à 3dB est la plage de fréquences où Ps/Pb > 2, soit 10.log10 (Ps/Pb) > 3dB.
• Shannon a démontré que la capacité maximale (C) d'un canal de transmission de bande passante W, perturbé par le bruit (rapport signal sur bruit Ps/Pb), est calculable en bit/s.
• C = DMax = W log2 (1+Ps/Pb).

Supports Physiques

• Paires torsadées : Distance max de 1 km, bande passante de quelques 10 MHz à 100 MHz, simple à mettre en œuvre, débit max de 1 à 100 Mbit/s, faible immunité aux bruits.
• Câbles coaxiaux : Distance max de 1 km, bande passante de 100 MHz à 500 MHz (CATV), difficile à mettre en œuvre, débit max de quelques 100 Mbit/s, bonne immunité aux bruits.
• Fibre optique : Distance max de quelques km à 60 km, bande passante de quelques 10 MHz à quelques GHz, très difficile à mettre en œuvre, débit max de quelques Gbit/s, excellente immunité aux bruits.

Techniques de transmission

• Transmission en bande de base : le signal n'est pas translaté en fréquence.
• Représentation : utilisation de deux ou plusieurs niveaux de tension.
• Utilité d'un codage: maximiser les changements d'états, diminuer la largeur de la bande du signal et transposer celle-ci vers des fréquences élevées.
• Transmission en modulation: utile pour les grandes distances.

Transmission en bande de base

• Transmission numérique = transmission en bande de base.
• Valide sur des courtes distances (quelques kms) avec un support cuivre et longue (30 kms) avec un support optique.
• Le signal peut être relayé par plusieurs générateurs (répéteurs).
• Avantage : Simplicité et faible coût et inconvénient : non utilisable sur de grandes distances.

Types de codage

• Code à deux niveaux : NRZ, NRZI, Manchester (biphase), Manchester différentiel, Miller.
• Code à trois niveaux : RZ, bipolaire simple, BHDn (Bipolaire à haute densité d'ordre n).

Codage NRZ

• Est le codage le plus simple.
• "0" <-> -a, "1" <-> +a.
• Dsp : La densité spectrale de puissance d'un signal NRZ est centrée en f=0. Ce mode est donc mal adapté au milieu qui ne fait pas passer les basses fréquences.
• La récupération d'horloge n'est pas garantie, puisque ce mode n'évite pas les longues suites sans transitions + Repérage des fils : Nécessaire.

Codage NRZI

• Variante du codage NRZ.
• Bit de donnée à 0 : la tension est inversée (changement d'état); Bit de donnée à 1 : la tension reste la même (pas de changement d'état).
• Avantages: -même spectre que NRZ; -éviter les successions de zéros; -ne nécessite pas de repérage de fils de ligne.

Codage Manchester

• Une transition est introduite au milieu de l'intervalle significatif.
• A un bit de donnée 1, on fait correspondre un front descendant et à un bit de donnée 0, on fait correspondre un front montant.

Codage Manchester différentiel

• Une transition est introduite au milieu de l'intervalle significatif.
• Bit de donnée à 0 : une transition au début de l'intervalle; Bit de donnée à 1: pas de transition au début de l'intervalle.
• Mêmes spectres que Manchester mais avec une meilleure immunité au bruit.
• Il ne nécessite pas de repérage de fils de ligne.

Code Miller

• À un bit de donnée 0 correspond une transition à la fin de l'intervalle Tm si le bit suivant est aussi un 0.
• À un bit de donnée 1 correspond une transition au milieu de l'intervalle Tm.

Code RZ

• Bit de donnée à 0 -> -a, Bit de donnée à 1 -> +a.
• Le spectre associé à ce codage est très étroit.

Codes bipolaire simple ou code AMI

• Le bit 1 est codé alternativement par une tension +n ou -n.
• Le bit 0 est codé par une tension nulle.

Codage BHDn

• Ce code est une adaptation du code AMI pour éviter les pertes d'horloge.
• Une violation d'alternance volontaire pour les suites de n+1 zéros "0" consécutifs est réalisée.

Codage par bloc

Pour gagner en débit, tout en gardant le même spectre, plusieurs bits simultanément peuvent être transmis, on parle alors de codage en bloc

• Code NRZ M-aire avec M=2 L est la longueur du bloc.
• Il faut 3 seuils de régénération et la sensibilité au bruit devient plus grande et la vitesse de transmission est doublée par rapport au code NRZ.

Transmission par modulation

• On dispose d'une porteuse de fréquence dans la bande passante du support.
• Des déformations sont réalisées à cette porteuse pour transmettre le signal à diffuser. Modulation mixte ou combinée : modification combinée par exemple de la phase et de l'amplitude.
• Après modulation, le spectre du signal est centré autour de la porteuse.
• Types de modulation : amplitude, phase, fréquence, mixte ou combinée

Modulations:

• La modulation d'amplitude (AM) est obtenue en jouant sur la valeur de V, en donnant une valeur VI pour un niveau logique '0' et en donnant une valeur Vh pour un niveau logique '1'.
• La modulation de phase (PSK) modulation est obtenue en jouant sur la valeur de Φ, en donnant une valeur Ф₀ pour un niveau logique '0' et en donnant une valeur Ф₁ pour un niveau logique '1'.
• La modulation FSK est obtenue en jouant sur la valeur de w, en donnant une valeur w0 pour un niveau logique'0' et en donnant une valeur w1 pour un niveau logique '1'.

Vitesse de modulation et vitesse de transmission

• Valence d'une voie (note V) : Nombre de valeurs que peut prendre l'état physique.
• Le moment élémentaire A est la durée minimale pendant laquelle le signal doit être émis pour être reconnu par le récepteur.
• Vitesse de modulation ou rapidité de modulation Rm (bauds): Nombre des valeurs physiques émises par seconde Rm = 1/∆ (bauds).
• Loi de Nyquist: Rmax = 2W.
• Formule de transmission : D= (Rm /k)log2(V).

Multiplexage

• Optimiser l'usage des canaux de transmission.
• Plus économique de n'avoir qu'une seule ligne de transmission partagée par plusieurs utilisateurs qu'une ligne par utilisateur.
• Ne pas gaspiller la bande passante d'un support quand elle est beaucoup plus importante que la largeur de bande des spectres des signaux à Transmettre.
• Consiste à concentrer les signaux de flux d'origines diverses sous la forme d'un signal composite.
• Multiplexages : fréquentiel et temporel

Multiplexage fréquentiel (FDM)

• Technique qui consiste à découper la bande passante de la voie composite en plusieurs sous-bandes, chaque sous-bande étant affectée à une voie basse vitesse.

Multiplexage temporel (TDM)

• Technique qui consiste à découper l'espace temps en intervalles de temps, chaque intervalle étant affecté à une voie.

Multiplexage temporel statistique (STDM)

• L'allocation des intervalles de temps n'est plus cyclique mais fonction de l'activité réelle des voies basses vitesses.
• Permet de récupérer des intervalles non alloués, mais nécessite de transmettre dans chaque intervalle de temps à la fois les données issues d'une voie et son identifiant.