COURS Hyperfrequence ISTA GOMA.pdf
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Cours dhyperfrquence
Par MATTHIEU RUCHOGOZA NKULIZA, DEA
Master of Engineering
1
HYPERFREQUENCE
PLAN DU COURS PLAN DU COURS ..................................................................................................................................... 1
BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................................................... 5
CHAP I. RAPPEL SUR LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES ...................................................................... 6
I.1. Londe lectromagntique et le rayonnement .............................................................................. 6
I.2. Description et proprits dune onde lectromagntique ............................................................ 6
I.3. RAPPEL SUR LES EQUATIONS DE MAXWELL ................................................................................ 10
I.4. Les quations de Propagation en lectromagntique ................................................................. 11
1.4.1. Equations de propagation de A ........................................................................................... 11
1.4.2. Equation de propagation de V .............................................................................................. 11
1.4.3. Equation de propagation de E ............................................................................................ 12
1.4.4. Equation de propagation de B ............................................................................................ 12
1.5. Londe lectromagntique dans un milieu (dilectrique, conducteur et dans le vide) ............... 12
1.5.1. Dans le vide .......................................................................................................................... 12
1.5.2. Londe lectromagntique dans un dilectrique ................................................................... 13
En remplaant par0 , la vitesse de propagation de londe devient : ........................................... 13
1.5.3. Londe lectromagntique dans un conducteur .................................................................... 14
1.6. Lnergie des ondes lectromagntiques ................................................................................... 15
1.7. Equations de MAXWELL et approximation des tats quasi-stationnaires .................................. 15
1.8. Les diffrents types dondes lectromagntiques ...................................................................... 17
CHAP. II. LES ONDES HYPERFREQUENCES ............................................................................................. 18
2.1. Le domaine hyperfrquence ou micro onde ............................................................................ 18
II.2. Particularits des ondes hyperfrquences ................................................................................. 21
II.3. Composants hyperfrquences .................................................................................................... 22
2.3. Circuits intgrs monolithiques hyperfrquences (MMIC) ......................................................... 24
CHAP. III. LA THEORIE DE TRANSMISSION ............................................................................................. 27
III.1. Les mdias de transmission ...................................................................................................... 27
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2
III.2. Le partage du mdia de Transmission ....................................................................................... 28
III. 3 Les Moyens de transmission ..................................................................................................... 29
III.3.1 Transmission par cble ......................................................................................................... 29
III.3.2. La fibre optique ................................................................................................................... 31
III.3. Transmission par satellite ......................................................................................................... 32
III.4. Les canaux de transmission ....................................................................................................... 32
III.5. LES TECHNOLOGIES DE TRANSMISSION .................................................................................... 36
III.5.1. Tlcommunications avec talement de frquence (frequency spectrum) .......................... 36
III.5.2. Technique de saut de frquence (FHSS=Frequency Hopping Spread spectrum) ................... 37
III.5.3. Etalement de spectre squence directe (Directed Sequence Spread Spectrum DSSS) ........ 38
III.5.4. TECHNOLOGIE INFRAROUGE ............................................................................................... 41
III.6. LES MODES DE TRANSMISSION ................................................................................................. 42
III.6.1. Tx analogique des donnes ................................................................................................. 43
III.6.2. Transmission numrique des donnes ................................................................................. 43
III.6.3. LE MULTIPLEXAGE ............................................................................................................... 47
III.6.4. Liaisons SIMPLEX, HALF DUPLEX et FULL DUPLEX .............................................................. 48
III.6.5. Transmission srie et parallle ............................................................................................ 49
III.6.6. TRANSMISSIONS SYNCHRONE ET ASYNCHRONE .................................................................. 51
CHAP IV. TRANSMISSION PAR FIBRE OPTIQUE ..................................................................................... 53
IV.1. Description ............................................................................................................................... 53
IV.2. Propagation dans la fibre optique............................................................................................. 54
IV.3. Types de fibre optique .............................................................................................................. 54
IV.3.1. Fibre optique multimode .................................................................................................... 54
IV.3.2. La fibre optique monomode ................................................................................................ 56
IV.3.3. La fibre optique multi/Monomode ...................................................................................... 57
IV.4. ATTENUATION ET LONGUEUR DONDE ..................................................................................... 58
IV.5. EFFETS DE CAPACITE DE TRANSMISSION .................................................................................. 60
IV.6. Attnuation et pertes par effet de courbure .......................................................................... 60
IV.7. LA DISPERSION CHROMATIQUE ................................................................................................ 61
IV.8. BANDE PASSANTE DES FIBRES .................................................................................................. 63
IV.9. LES EFFETS NON LINEAIRES ET LA FIABLITE DE LA FIBRE OPTIQUE ............................................ 63
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IV.10. LE CABLES ET LE RACCORDEMENT ........................................................................................... 65
IV.11. TRANSMISSION SUR FIBRE OPTIQUE ...................................................................................... 66
IV.12. BOUCLE LOCALE OPTIQUE ....................................................................................................... 71
IV.13 DISPERSION DE POLARISATION ................................................................................................ 72
VI. 14. BILAN DE LIAISON OPTIQUE ................................................................................................... 72
CHAP. V TRANSMISSION PAR SATELLITE ............................................................................................... 74
V. 1. COMMUNICATION PAR SATELLITE ............................................................................................ 74
V.2. Spcificits des communications par satellite.......................................................................... 77
V. 3. Particularits de la propagation ................................................................................................ 79
V. 4. BILAN DE LIAISON ..................................................................................................................... 79
V. 5. EFFET DOPPLER ......................................................................................................................... 81
V.6. ANTENNES EMBARQUEES SUR SATELLITE .................................................................................. 82
V. 7. LES REPETEURS ......................................................................................................................... 84
V. 8. ACCES AU SATELLITE ................................................................................................................. 86
V. 9. Principales frquences utilises dans les systmes par satellite ............................................... 88
V. 10. LES RESEAUX VSAT (very small Aperture Terminal) ................................................................ 89
CHAP. VI. LES FAISCEAUX HERTZIENS .................................................................................................... 92
VI.1. Gnralits ............................................................................................................................... 92
VI. 2. TYPES DE LIAISONS RADIOELECTRICITES .................................................................................. 93
VI. 4. PROPAGATION EN VISIBLITE DIRECTE ...................................................................................... 97
VI. 4.1. DIFFRACTION ........................................................................................................................ 98
VI. 4.2. PROPAGATION EN ESPACE LIBRE : .................................................................................... 100
PHENOMENES LIES A LATMOSPHERE TERREST ............................................................................ 100
VI. 5. CARACTERISTIQUES DES ANTENNES POUR FAISCEAUX HERTZIENS........................................ 103
VI. 6. LES ANTENNES POUR LES FAISCEAUX HERRTZIENS ................................................................ 105
VI. 7. BILAN DE LIAISON : AFFAIBLISSEMENT DE PROPAGATION ..................................................... 106
VI. 7. 1. EN ESPACE LIBRE ............................................................................................................. 106
VI. 7. 2. BILAN DE LIAISON : BRUIT ET RAPPORT SIGNAL SUR BRUIT .............................................. 107
VI. 7.3. BILAIN DE LIAISON : bruit et rapport porteur sur bruit ...................................................... 107
VI. 7. 4. PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DUNE ANTENNE ......................................................... 108
VI.8. STRUCTURE DE LEMISSION/RECEPTION POUR LES FAISCEAUX HERTZIE NS ........................... 108
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4
VI.9. faisceaux hertzien numriques ............................................................................................... 109
VI. 10. DVB T (DICITAL BROAOCASTING TERRESTRE) .................................................................... 110
VI. 11. BOUCLE LOCALE VIDEO ........................................................................................................ 112
CHP. VII. BRUIT EN HYPERFREQUENCE .............................................................................................. 113
INTRODUCTION ............................................................................................................................... 113
VII.1. TEMPERATURE ET FACTEUR DU BRUIT .................................................................................. 113
VI.2. BRUIT ET TEMPERATURE DE SOURCE ...................................................................................... 118
VII.3. BRUIT EN HYPERFREQUENCE ................................................................................................. 128
CHAP. VIII. LES PARAMETRES DUNE LIGNE HYPERFREQUENCE ......................................................... 132
VIII.1. ADAPTATION DE LA LIGNE A LANTENNE .............................................................................. 132
VIII.2. LES FACTEURS QUI INFLUENCENT LA TRANSMISSION ........................................................... 132
VIII.3. LES PARAMETRES DE DISPERSION (voir Matrice [S]) ............................................................. 135
VIII.4. LES PARAMETRES DE TRANSFERT (SCATERING T PATAMETERS) ........................................... 136
VIII.5. LIMPEDENCE CARRACTERISTIQUE ET LE COEFFICIENT DE REFLEXION .................................. 136
VIII. 6. LA PUISSANCE ISOTROPE RAYONEE .................................................................................... 142
VIII.7. ABAQUE DE SMITH ............................................................................................................... 147
CHAP. IX. LES ANTENNES EN HYPERFREQUENCE ................................................................................. 155
IX.1. GENERALITE ............................................................................................................................ 155
IX.2. QUELQUES ANTENNES PARTICULIERES ................................................................................... 159
IX.3. RESISTANCE DE RAYONNEMENT ............................................................................................. 164
IX.4. GAIN DUNE ANTENNE ............................................................................................................ 165
IX.5. lANTENNE PARABOLIQUE ...................................................................................................... 169
IX.6. GROUPEMENT DANTENNES ................................................................................................... 174
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BIBLIOGRAPHIE 1. Propagation, Rayonnement, Electromagntisme, cours B8, Electronique CNAM, J.Salset,
M. Terr
2. Les faisceaux hertziens analogiques et numriques, E. Fernandez et M. Mathieu, Ed.
DUNOD
3. Sites internet
http://www.ico.com/
http://www.geolink.fr/
4. Cours B7 OPTO lectronique et tlcommunication optiques , G. HINCELIN, J.C
DUDEK, CNAM.
5. Lucien Boithias, propagation des ondes radiolectriques , DUNOND, 1983
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CHAP I. RAPPEL SUR LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES
I.1. Londe lectromagntique et le rayonnement
Londe lectromagntique est la propagation, la vitesse de la lumire, dune
dformation harmonique des proprits lectriques et magntiques de lespace.
Elle est le rsultat de la prsence simultane dun champ magntique (H) et dun champ
lectrique variables dans le temps.
Londe lectromagntique est donc un modle utilis pour reprsenter les rayonnements
lectromagntiques. Elle est associe la notion de photon.
On distingue :
Le rayonnement lectromagntique qui est le phnomne tudi
Londe lectromagntique qui est une des reprsentations de phnomne.
Une onde lumineuse est donc une onde lectromagntique dont la longueur donde
correspond au spectre visible ; soit entre = 380 et 780m, ce qui correspond aux nergies de
photon de 1,5 3ev.
I.2. Description et proprits dune onde lectromagntique
Comme toutes les ondes, une onde lectromagntique peut sanalyser en utilisant lanalyse
spectrale. On peut dcomposer londe en ondes dites monochromatiques . Londe
monochromatique peut se modliser par un diple lectrostatique vibrant convenablement. On
peut dire donc quune onde lectromagntique est une oscillation couple du champ lectrique
et du champ magntique.
+q
-q
B
E
K
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BEK ,, est le tridre direct. Les variations des champs lectriques et magntiques sont lies par les quations de MAXWELL.
On peut donc reprsenter londe par un seul de ces champs, en gnral, le champ lectrique
dont lquation gnrale dune onde plane monochromatique est la suivante :
0).cos(),( ErkttrE ; avec
, la pulsation
c2
r , le vecteur de polarisation du point considr
k , le vecteur donde dont la norme vaut
2
, la phase lorigine
Sous forme complexe, 0)( .),( EeRtrE rkte
Proprits
1. La polarisation
Elle correspond la direction et lamplitude du champ E . Pour une onde non polarise (ou
naturelle), E tourne autour de son axe de faon alatoire et imprvisible au cours du temps.
Polariser une onde correspond donner une trajectoire dfinie au champ lectrique. Il existe
plusieurs sortes de polarisation.
La polarisation linaire : quand E reste toujours dans le mme plan.
La polarisation circulaire : quand le champ magntique
Polarisation elliptique
2. Le comportement ondulatoire
La propagation
Dans un milieu homogne et isotrope, londe lectromagntique se propage en ligne
droite.
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Lors de la rencontre avec un obstacle, il y a diffraction ; lors dun changement de
milieu, il y a rflexion ou rfraction.
Il y a aussi rfraction si les proprits du milieu changent selon lendroit (htrognit)
La rflexion
Lors dun changement de milieu de propagation, une partie de londe
lectromagntique repart vers le milieu dorigine ; cest la rflexion. Ex : le miroir.
La rflexion concerne galement les rayons X (miroir rayon X) et les ondes radio
(rflexion sur lionosphre des ondes, antenne parabolique, rflexion sur la lune).
La rfraction
Lors dun changement de milieu de propagation, si le second milieu de propagation est
transparent pour londe, celle-ci se propage dans le second milieu, mais avec une
direction diffrente. Cela concerne la lumire (lentille optique, mirage), mais aussi les
ondes radio (rflexion des ondes dcamtriques dans lionosphre).
La diffusion
Lorsquune onde rencontre un atome, elle se diffuse sur celui-ci et change de direction.
On distingue :
La diffusion RAYLEIGH (ou diffusion lectromagntique) au cours de laquelle
londe ne change pas de longueur donde.
La diffusion RAMAN qui est une diffusion lectronique avec diminution ou
augmentation de longueur donde.
La diffusion COMPTON, dans le cas des rayons X, diffusant sur des atomes
lgers au cours de laquelle la longueur donde augmente.
Interfrences
Comme toutes les ondes, les ondes lectromagntiques peuvent interfrr. Dans les cas
des radiocommunications, cela provoque un parasitage du signal.
La diffraction
Linterfrence dondes diffuses porte le nom de diffraction,
3. Dualit onde corpuscule
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La notion donde lectromagntique est complmentaire de celle de photon. En fait, elle
fournit une description plus pertinente de la radiation pour des faibles frquences (c d les
grandes longueurs donde) comme les ondes radio.
En fait, londe lectromagntique reprsente deux choses :
La variation macroscopique du champ lectrique et du champ magntique
La fonction donde du photon
Lorsque le flux dnergie est grand devant lnergie des photons, on peut considrer que lon a
un flux quasi-continu de photons et les deux notions se recouvrent. Ceci nest plus vrai lorsque
le flux dnergie est faible (ou envoie des photons un par un).
Le flux dnergie est donn par le vecteur de POYNTING. Chaque photon emporte une quantit
dnergie dtermine, E = h.F
Avec : h = la constante de PLANK
F = la frquence
Quelques thoriciens de la thorie ondulatoire
Cette thorie a t principalement dveloppe par CHRISTIAAN HUYGENS vers 1670 et par
AUGUSTIN FRESNEL.
La thorie ondulatoire sopposait lpoque la thorie corpusculaire dfendue par RENE
DESCARTES.
Hughens travaillait sur les lois de rflexion et de la rfraction. Fresnel dveloppa les notions
dinterfrence et de longueur donde.
Les approches ondulatoires et corpusculaires furent runies par ALBERT EINSTEIN lorsque celui-
ci tablit le modle du photon en 1905 dans les travaux sur leffet photo-lectrique. La grande
avance thorique fut la synthse des lois de llectromagntisme par James Clark MAXWELL
dont les quations prdisaient la vitesse de la lumire, dmontra que la lumire tait de nature
lectromagntique.
Les ondes radio, basse frquence et grande longueur donde, furent dcouvertes la
fin du 19e sicle avec les travaux dALEXANDRE POPOV, HEINRICH HERTZ, Edouard
BRANLY et de Nicolas TESLA. Les rayons X, haute frquence et faible longueur donde,
furent dcouvertes par WILHEM RNTGEN en 1895.
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I.3. RAPPEL SUR LES EQUATIONS DE MAXWELL
Equation de MAXWELL GAUSS
div D avec D = dplacement lectrique
= densit volumique des charges relles
Equation de la conservation du flux de B
div B = 0, B = champ (ou induction) magntique
Equation de MAXWELL FARADAY (phnomne dinduction)
rot t
BE
E = champ lectrique
Equation de MXWELL AMPERE
rot t
DJH
, avec H = excitation (ou champ magntique)
J = densit volumique des courants de charges relles
EEpED )1(00 pour un milieu linaire, homogne et isotrope.
p est le vecteur de polarisation, la susceptibilit dilectrique et la permittivit du
dilectrique
mMHB 1(00 HH pour un milieu linaire, homogne et isotrope.
M est le vecteur aimantation
m est la susceptibilit magntique et la permabilit du milieu magntique.
Conditions de passage la surface de sparation de deux milieux 1 et 2
Le vecteur unitaire normal 12n est orient du milieu 1 vers le milieu 2.
Lapplication des quations de MAXWELL donne la frontire de deux milieux ce qui suit :
12 nn DD , 12 nn BB 1221 DE 122112 njHH s
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I.4. Les quations de Propagation en lectromagntisme
div 0B c d quil existe un vecteur A , appel POTENTIEL VECTEUR tel que ArotB
rot
t
Arot
t
BE
; c d quil existe une fonction scalaire V appele POTENTIEL
SCALAIRE tel que Vgradt
AE
o V nest pas dfini de manire unique puisque
un gradient n est dfini qu une constante additive prs et puisque le potentiel vecteur
nest dfini quau gradient dune fonction quelconque prs. Il convient de parler de
couples des valeurs vA, possibles associs un mme champ lectromagntique BE, .
1.4.1. Equations de propagation de A
t
EjBrot
E quesait on
)()(
2
2
t
Aj
t
A
t
VAdivgradA
AAdivgradArotrot
Comme il existe plusieurs couples de valeurs possibles vA, , on choisit celui qui vrifie
0t
VAdiv
(quation de LORENTZ)
Ainsi, nous obtenons lquation de propagation jt
AA
2
2
1.4.2. Equation de propagation de V
Vt
AdivEdiv
)(
On sait que t
VAdiv
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2
2
t
VV
1.4.3. Equation de propagation de E
t
jgrad
t
EE
t
E
t
j
t
BrotEEdivgradErotrot
2
2
2
)()()(
Ds lors, on sait que
Ediv
t
EjBrot et
1.4.4. Equation de propagation de B
)(
)()(
Erott
jrot
BBdivgradBrotrot
On sait que t
B
t
EjBrot
Erotet
jrott
BB
1.5. Londe lectromagntique dans un milieu (dilectrique, conducteur et
dans le vide)
1.5.1. Dans le vide
0
B ;0
0000
t
B
t
EE
Ici nous traitons des quations aux drives partielles pour les grandeurs vectorielles (trois
dimensions despace)
Bet E sont relis dans les quations de MAXWELL (il sagit dun champ lectromagntique), ils
ont t dcoupls en utilisant des drivations pour former les quations de propagation.
Posons tjBtjEE exp'Bet exp'
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On appelle onde plane monochromatique le cas particulier o 'Bet 'E ne sont fonctions que
dune seule variable cartsienne soit x par exemple.
x)composante de pas an' ondel' de magntique champ (le 0 'B
;0'
x)composante de pas an' ondel' de lectrique champ (le 0 'E
;0'
x
xBdiv
x
xEdiv
- Le champ lectromagntique est contenu dans des plans perpendiculaires laxe des x.
Le choix de laxe y permet dcrire yexfE )(' ; en rapportant dans lquation de
propagation, on obtient )1( 0
00 cf
cdx
fd
y
e
x ec
xtjwEx
c
xtjEB
ex
expexp 21 on trouve la superposition de deux
ondes (progressive et rgressive) se propageant la vitesse c appele vitesse de la
lumire .
Avec londe progressive, on a :
xec
xtj
c
EB
t
BErot
exp1 Pour londe progressive, le vecteur vitesse
est gal vBeCv x Eet
Cette dernire relation reste vrifie pour londe rgressive condition dcrire
xecv
N.B : Ces relations ne sont vraies que pour les ondes planes monochromatiques. Il en est de
mme pour le vecteur donde.
xec
k
qui, pour une propagation suivant la direction x, scrit c
)k( avec )(
xekk
1.5.2. Londe lectromagntique dans un dilectrique
En remplaant par0 , la vitesse de propagation de londe devient :
n
ccv
r
00
1 o n est lindice de rfraction du milieu
0
nr
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Les milieux dilectriques sont dispersifs puisque )( rr (la polarisation dpend de la
frquence du champ excitateur)
1.5.3. Londe lectromagntique dans un conducteur Supposons vrifies les conditions de validit de la loi dohm
=
(nous excluons le
domaine des hyperfrquences), ce qui entrane que la densit volumique des charges est
nulle.
;0
10
t
E
ct
EE
0
10
t
B
ct
BB
La direction x est choisie comme direction dcoulement du courant.
0'
'
'
')exp(),(' 0 E
cEj
y
E
x
EetjyxEE x
En posant E = f(x)g(y) (technique de sparation des variables), on obtient :
0
''
cf
f et 0
''0 j
g
g
En se limitant une onde progressive et un conducteur suffisamment pais (direction y
importante)
yEeE x
2c
x-tjexp y)
2exp( 00
Cette formule montre que le courant lectrique passe plus facilement en surface quen
profondeur. Ce phnomne est appel effet pelliculaire ou effet de peau , il devient
significatif dans un conducteur pour des frquences leves, lpaisseur de peau est dfinie par
0
2 cette formule montre aussi en quoi consiste lapproximation des tats quasi
stationnaires dans un conducteur, (c--d quand on peut ngliger laspect propagation).
En ngligeant les phnomnes lis leffet de peau (ce qui se passe dans la direction y) ; on
peut crire :
c
xtjEeE x
exp0 pour un conducteur de longueur l, ngliger le
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phnomne de propagation revient avoir la condition
Lc
L2 pour 50Hz,
km6000
1.6. Lnergie des ondes lectromagntiques
Il est commode de dfinir le vecteur de POYNTING HE
On a alors rotHEErotHHEdiv )(
= t
DEjE
t
BH
Nous reconnaissons :
t
BH
t
DE
tme
)( o met e sont les densits volumiques dnergie lectrique et
magntique.
jo
tjE
j est la densit volumique dnergie par effet joule (on dit dissipe par effet
joule pour rappeler que cette nergie se transforme en dautres formes que lnergie
lectromagntique. Selon le thorme dOSTROGRADSKY ; on a :
djt
djHEdivdsHEdS
jme
SS
Cette relation montre lintrt pratique du vecteur de POYNTING.
1.7. Equations de MAXWELL et approximation des tats quasi-
stationnaires
En reprenant les quations de propagation, on remarque que les phnomnes de propagation
sont lis lexistence du terme
t
E
t
D
Dans le cadre de lapproximation des tats quasi-stationnaires, les quations de Maxwell
scrivent :
-
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jBrot
gradVt
AE
t
BErot
ArotBBdiv
Ddiv
0
0
- La conservation de la charge devient 0jdiv
- Dans lapproximation des tats quasi stationnaires, 0t
(la densit volumique des
charges est constante ou nulle).
- Lquation de Lorentz devient celle de coulomb )0( Adiv
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1.8. Les diffrents types dondes lectromagntiques
Pour m 100 , on parle du domaine OPTIQUE ; il tudie tout ce qui concerne la lumire
Pour cm1 et celui du domaine des ondes radio, le phnomne de propagation devenant ngligeable, est grande
(circuits lectriques).
Rayons gamma
Rayons X
Radiations ultraviolettes
Radiations infrarouges
Ondes radar
Ondes radiolectriques FM TV Ondes grandes Ondes moyennes ondes courtes
Circuits courant
alternatif
Bleu Jaune Vert vert
Violet Bleu Vert Jaune Orange rouge
Spectre
visible
400 500 600 700
nmen
10-14 10-12
10-10 10-8
10-6 10-4 10-2 1 102 104 106 10
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CHAP. II. LES ONDES HYPERFREQUENCES
2.1. Le domaine hyperfrquence ou micro onde
Pour rappel, une onde lectromagntique est la propagation, la vitesse de la lumire, dune
dformation harmonique des proprits lectriques et magntiques de lespace.
Lamplitude de cette dformation est ce que lon appelle longueur donde ( ).
On dfinit galement une onde par sa frquence, cest dire le rapport entre sa vitesse et
sa longueur donde.
F
VVF
La frquence (en Hz) reprsente la quantit dondes passant en un point donn en une
seconde.
Dans les diffrentes radiations du spectre lectromagntique, leur dnomination tient des
raisons historiques, mais aussi la faon dont elles sont gnres.
Les frontires entre les diffrentes radiations du spectre lectromagntique sont toutes
artificielles. En allant des ondes radio vers les ondes gamma, la longueur donde devient plus
courte (les ondes deviennent plus pntrantes), la frquence augmente (les oscillations pour
les produire deviennent plus rapides) et lnergie devient plus leve (cela demande plus
dnergie pour produire des rayons que cela nen demande pour les ondes radio).
N.B : au-del des rayons se trouvent les rayons cosmiques dont la frquence est de lordre de
1030Hz.
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Le spectre lectromagntique
Radiographies
Maison
103 102 101
Ballon de Football
Point Cellule Virus Molcule deau
1 10-1 10-2
10-3 10-4 10-6 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12
mm)(en
Taille de
londe
106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 10
16 1017 1018 1019 1020
Frquence
(HZ)
Ondes radio Micro-Ondes Infrarouge Ultraviolet
Rayons X
(mous)
Rayons X
(durs)
Rayons lment
radioactif
Nom commun
de londe
Sources Radio
AM
Radio
FM
Four micro-onde Radar V
iolet
Corps
humain
Ampoule
lectrique
-
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Les ondes qui nous concernent se situent cheval entre les ondes radio et linfrarouge : cest le
domaine micro-onde. Cest un domaine appartenant une bande de frquences comprises
entre 300MHZ et 300GHZ, soient les longueurs donde dans lair ou le vide comprises entre 1m
et 1mm.
Analysons la place quoccupent les micro-ondes dans le spectre des frquences des ondes
lectromagntiques. On peut distinguer 3 zones pour lesquelles ces ondes, pour tre de mme
nature, ne se distinguent pas moins dans leur manifestation physique.
De ce fait, le paramtre dusage pour caractriser les ondes en question peut varier.
De la frquence de distribution de lnergie lectrique (50HZ) jusqu celle des tlcoms, on
utilise le terme de frquence.
Dans le domaine de linfrarouge et de loptique jusquaux rayons X, cest la longueur donde
dans le vide que lon considre.
Enfin, lnergie quantique associe londe est utilise pour les rayonnements ionisants.
A ces trois domaines sont associes deux frontires qui sont des larges zones de recouvrement.
En effet, de mme que lultraviolet et les rayons X relvent de la double description de
loptique et des rayonnements ionisants, les micro-ondes se situent une autre frontire, celle
des ondes lectriques et de loptique. Cette double appartenance confre aux micro-ondes une
richesse particulire des caractristiques lectriques pour leur production qui relvent de
loptique pour leur propagation.
Lutilisation des micro-ondes est celle du four de mme nom apparu en 1950 dont le principe
est de gnrer des ondes capables de faire vibrer des molcules deau assez rapidement pour
les chauffer.
Linteraction des micro-ondes avec la matire est domine par le mcanisme dabsorption
dilectrique, celle-ci tant due aux interactions entre les molcules ou lments polaires.
Ainsi, seuls les aliments contenant de leau sont concerns. Ces fours fonctionnent dans la
gamme de frquence 915MHZ 2,45GHZ.
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Les micro-ondes peuvent tre cres par le mouvement des lectrons dans une petite bote en
mtal sous vide. Cest le magnetron (prsent dans les fours micro-ondes).
Un dcoupage plus prcis du domaine hyperfrquence a t ralis : ce sont les bandes IEEE
(Institute of Electrotechnical and Electrical Engineers) (voir ci-dessous).
Il existe aussi dautres dsignations moins utilises, comme celles du dpartement de la
dfense amricaine.
Dsignation Domaine de
frquences (GHZ)
VHF
UHF
Bande L
Bande S
Bande C
Bande X
Bande Ku
Bande K
Bande Ka
Bande Q
Bande U
Bande V
Bande E
Bande W
Bande F
Bande D
Bande G
0,03 0,30
0,30 1,00
1 2
2 4
4 8
8 12
12 18
18 26,5
26,5 40
30 50
40 60
50 75
60 90
75 110
90 140
110 170
140 220
II.2. Particularits des ondes hyperfrquences
On utilise les micro-ondes pour les Tlcoms et la dtection.
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Les raisons qui incitent lutilisation dondes courtes peuvent tre illustres, par exemple, la
dtection Radar dont le principe est dilluminer une cible par des impulsions
lectromagntiques pour en rcuprer lcho.
Tout dabord, il y a concentration de lnergie rayonne, plus est faible par rapport aux
dimensions de larien, plus le faisceau est troit, c.--d. meilleure est la directivit de londe et
donc sa prcision.
Des obstacles ne peuvent tre dtects que si leurs dimensions sont au moins comparables la
longueur donde ; sinon lnergie rayonne devient trs faible.
Pour dceler des lments petits, les micro-ondes sont donc trs appropries. Dune faon
gnrale, les micro-ondes sont apprcies pour leur large bande passade, de leur rsolution
spatiale lev et leur grande immunit aux interfrences.
Toutefois, une consquence pratique de linteraction des ondes lectromagntiques avec la
matire et les diffrents composs de latmosphre est que seuls certains domaines dondes
peuvent pntrer facilement latmosphre. Ces rgions sont appeles des fentres
atmosphriques qui correspondent aux rgions ou laltitude de demi-absorption (ou
lattnuation) de latmosphre est trs faible.
Les fentres dominantes dans latmosphre sont dans le domaine visible, le domaine radio et
micro-onde alors que les rayons X et ultra-violet sont fortement absorbs et le rayon et
linfrarouge le sont un peu moins.
II.3. Composants hyperfrquences
La gnration dondes de plus en plus courtes ne peut tre satisfaite quavec lapparition des
composants semi-conducteurs au dpend du magnton. Toute fois, la rduction de la longueur
donde du centimtrique vers le millimtrique exige le dveloppement de composants. Cela
repose sur la diminution des dimensions des composants, sur lutilisation des matriaux semi-
conducteurs possdant des meilleures proprits de transport et sur lutilisation des structures
nouvelles.
En ce qui concerne lamplification ncessaire pour la transmission et la rception des signaux, le
Transistor est le composant clef.
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Bien que le transistor Bipolaire et le MOS (Metal Oxyde semi conductor) raliss en silicium
bnficient dun march norme reposant sur la simplicit de mise en uvre et sur la grande
maturit de cette technologie, cette filire est limite des frquences de quelques GHZ ;
limitation intrinsque au matriau.
Afin de satisfaire aux applications, les recherches se sont orientes vers larsniure de gallium
qui sest impos avec les structures MESFET (Metal semi conductor Field Effet Transistor) ; qui
permettent de rpondre des applications jusqu des frquences denviron 30GHZ.
Malgr la rduction des dimensions de la zone active, ce type de composant est limit en
frquence par le transport lectronique seffectuant dans un matriau dop. Les transistors
htrojonction sont alors apparus, permettant dobtenir une importante densit de porteurs
dans le matriau intrinsque o la mobilit et les vitesses lectroniques sont plus leves.
Dautres matriaux comme la PHOSPHURE dINDIUM (IPn) sont tudis afin de pouvoir
rpondre la monte en frquence des applications.
Les principaux avantages de ces matriaux sont :
- Une proprit semi-isolante permet de fabriquer des circuits intgrs hyperfrquences.
- Leur rsistance aux radiations
- Leur capacit travailler haute temprature que le silicium, ce qui est important pour
les applications militaires.
- Leurs performances vitesse/consommation nettement suprieures celles des
calculateurs utilisant des circuits en silicium (application numrique).
- Leur trs vaste domaine de frquences couvert puisquil stend de 1GHZ plus de
100GHZ.
- Larsniure de gallium est parfaitement appropri la ralisation des circuits
hyperfrquences.
Ces circuits sont classs en :
Circuits bas niveau
o Amplification faible bruit
o Fonction de contrle
o Commutation, etc
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Circuits de puissance : le domaine des tlcoms et le balayage lectronique radar pour
les circuits intgrs micro-ondes.
Les circuits numriques
2.3. Circuits intgrs monolithiques hyperfrquences (MMIC)
Le MMIC (monolithic Microwave Integrated Circuit) est la solution monolithique qui a remplac
la solution hybride.
1) Militaire
Dans la rception des armements lectroniques, linformation est caractrise par un trs faible
bruit et une forte bande passante ; les frquences y sont leves (millimtriques). Trois
principales familles dapplication sont :
a) Dtection guidage
Ce sont les radars au sol ou aroports, les minutions intelligentes (radar de trs courte
dure) et les autos dtecteurs des missiles.
Lapplication importante est lantenne active balayage lectronique.
Les circuits base darsniure de gallium permettent de raliser les modules actifs mission-
rception qui sont les principaux lments constitutifs de ces radars dont les principaux
avantages sont les capacits antibrouillage, multicble et laquasi invulnrabilit.
Des prototypes de modules dantennes ont dj t raliss pour des radars au sol en bande L,
S, C et X.
b) La guerre lectronique
Cela comprend les dispositifs de brouillage lectronique qui doivent suivre llvation
des frquences des communications militaires.
Les circuits pour les contre-mesures lectroniques sont caractriss par une trs grande largeur
de bande instantane (1 20GHZ).
Ces systmes sont capables didentifier et de suivre simultanment de multiples cibles au
moyen de rcepteurs dtecteurs et de dclencher une riposte approprie sous forme de
signaux de brouillage par lintermdiaire dune chane damplificateurs de puissance.
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2) Les tlcommunications
3 principales applications des MMIC sont :
a) La rception satellite
Les communications satellites prennent de plus en plus dessor avec le lancement des projets
ambitieux visant couvrir notre plante dune gigantesque toile daraigne satellitaire avec
diverses applications : tlphone sans fil, transports, multimdia,
Elles reposent toutes sur le transfert de donnes en ondes hyperfrquences. Ce transfert se
fait via des terminaux VSAT (Very Small Aperture Terminal) fonctionnant dans la bande de 20
30GHZ, mais aussi le systme GPS (Global Positionning System) travaillant autour de 1,5gHZ
pour le transport.
Le GPS utilise 3 signaux cods synchroniss manant de 3 satellites pour localiser le point de
rception mieux que 15m dans les trois dimensions. Le rcepteur comprend un amplificateur
faible bruit, un mlangeur et une source de frquence synthtise.
On cite aussi la balise SART (Search And Rescue Transponder) fonctionnant 9,5GHZ. Cette
balise renvoie automatiquement un train dimpulsions de localisation lorsquelle est interroge
par les radars maritimes ou aroports.
- Il y a aussi le rcepteur DBS (Direct Broadcast Satellite) dvelopp pour la tlvision par
satellite.
b) La tlphonie sans fil (WLAN)
Le Wireless Local Area Network utilise un rseau terrestre des stations de base permettant
de relier entre eux les possesseurs de tlphone cellulaire.
Les bandes de frquences concernes pour les stations de base sont de 2,4GHZ (USA et
Angleterre) pour les faibles dbits jusqu 1Mbits/seconde.
Notons que le GSM (Global System fo Mobile Communication) utilise 900MHZ, 1800MHZ ou
1900MHZ.
c) Les communications par fibres optiques
Les applications de lArsniure de gallium sont pour linstant limites au pilote de diode Laser et
lamplificateur transimpdance en rception principalement pour la distribution de canaux TV
par cble.
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3) Les transports
a) Les communication
Cela comprend les tlcoms courte distance (2 20m). les frquences normalises sont de
2,45GHZ par la gestion des wagons et des containers et 5,8GHZ pour les pages autoroutiers, la
tl montique, lidentification des objets colls,
b) Le contrle
on retrouve le GPS dans les applications civiles et aronautique o il est actuellement tudi
comme alternative au MLS (Microwave Landing System) en navigation maritime ou en version
terrestre portable, des fins de cartographie ou guidage transport. Lapplication est le radr
anti-collision automobile initi par AEG TELEFUNKEN en Allemagne (35GHZ, 776 GHZ).
4) Lindustrie et le mdical
Le domaine industriel est concern par les capteurs pour lanalyse des matriaux, mais
galement ceux ayant trait la robotique, aux tlmesures et linstrumentation. Les
applications mdicales concernent la dtection et le traitement des tumeurs, mais aussi les
metteurs et rcepteurs pour applications biomdicales.
5) Le spatial
La technologie MMIC permet la rduction de la surface et de poids. On utilise autant de
modules actifs, incluant dphaseurs et amplificateurs (mission et rception) connects
derrire les lments rayonnants.
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CHAP. III. LA THEORIE DE TRANSMISSION
III.1. Les mdias de transmission
La transmission seffectue par diffrents mdias selon les systmes.
- Historiquement, le fil tlphonique fut le premier support de tlcommunication et
permit le dveloppement du tlgraphe et du tlphone. Il est toujours le mdia
principal pour le raccordement aux rseaux tlphonique et informatique (tlphone,
fax, internet) sous forme de paire (S) torsade (s).
- Le cble coaxial tait le mdia de haut dbit avant lapparition des fibres optiques. Il est
toujours utilis dans les rseaux industriels en raison de sa robustesse face aux
perturbations pour les raccordements en radio frquence lintrieur dun quipement,
parfois remplac par le guide donde pour les transmissions de micro-ondes de forte
puissance.
- La fibre optique, qui raccorde progressivement les abonns en ville est aussi le mdia
des cbles sous marins modernes, cest un fil en verre ou en plastique trs fin qui a la
proprit de conduire de la lumire.
- La radio qui peut tre dfinie comme toute communication par lintermdiaire de
lespace hertzien, a rvolutionn les tlcoms. Cest le mdia de la radiodiffusion de
programmes, des services, de communications en radiotlphonie, des rseaux de
tlphonie mobile, des liaisons par satellite de tlcommunications ou par faisceau
hertzien. La radiolectricit tudie la transmission hertzienne, la propagation des ondes,
les interfaces entre lmetteur et le rcepteur par lintermdiaire des antennes.
- Les liaisons optiques dans lespace, donc non guides par fibres, sont utilises en
communication par satellites.
- Enfin, certains milieux ne peuvent tre traverss que par des ondes acoustiques, cest le
cas des communications dans les mines qui seffectuent par ondes ultra sonores.
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III.2. Le partage du mdia de Transmission
Le partage du mdia entre utilisateurs se fait par les techniques daffectation, du multiplexage
et daccs multiple.
- Laffectation de frquence, par bande et par service sur le mdia hertzien est la
premire technique apparue pour empcher les brouillages mutuels.
- A lintrieur dune bande de frquence, le multiplexage frquentiel est la division dun
mdia de transmission en plusieurs canaux, chacun tant affect une liaison.
Cette affectation peut tre fixe, par exemple en radiodiffusion FM, une station met
96,1MHz, une autre 94,5MHz.
- Laffectation des frquences peut tre dynamique comme en FDMA (Accs multiples par
division en frquence), utilis par exemple, lors de la transmission par satellite.
Chaque utilisateur du canal y reoit dans ce cas une autorisation temporaire pour une
des frquences disponibles.
- En communication numriques, le multiplexage peut galement tre temporaire ou par
codage.
- Les techniques dtalement de spectre comme le CDMA (Code Division Multiple Access)
sont utilises en tlphonie mobile.
Chaque liaison y est module par un code unique dtalement, pour lequel les autres
utilisateurs apparaissent comme du bruit aprs dmodulation.
- Le codage par paquet (TDMA = Time division multiple access) o chaque utilisateur y
transmet des paquets numriques munis dadresses, qui se succdent dans le canal.
Le fonctionnement de ces techniques daccs multiples ncessite des protocoles pour
les demandes daffectation, les adressages, dont le plus connu est le TCP/IP dinternet.
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III. 3 Les Moyens de transmission
III.3.1 Transmission par cble
a) Le cble coaxial
Il a t longtemps le cblage de prdilection parce quil est peu coteux et facilement
manipulable (poids, flexibilit,) il est constitu dune partie centrale (me) (fil de cuivre)
envelopp dans un isolant, puis dun blindage mtallique enfin dune gaine extrieure.
- La gaine permet de protger le cble de lenvironnement extrieur. Elle est en
caoutchouc (parfois en chlorure de polyvinyle PVC)
- Le blindage (enveloppe mtallique) entourant les cbles permet de protger les
donnes transmises sur le support des parasites (bruits) pouvant causer une distorsion
des donnes.
- Lisolant, entourant la partie centrale, est constitu dun matriau dilectrique
permettant dviter tout contact avec le blindage, provoquant des interactions
lectriques (court circuit)
- Lme, accomplissant la tche de transport des donnes, est galement compose dun
seul brin en cuivre et plusieurs brins torsads. Il existe des cble coaxiaux possdant un
blindage double (une couche isolante, une couche de blindage) ainsi que des cbles
coaxiaux quadruple blindage (2 couches isolantes, deux couches de blindage) ;
Il existe habituellement deux types de cbles coaxiaux :
Le 10 base 2 cble coaxial fin (appel Thinet ou en cheapernet) son diamtre est de 6
mm, sa couleur est blanche (ou gristre). Trs flexible, il est utilis dans la majorit des
rseaux, en le connectant directement sur la carte rseau. Il permet de transporter un
Ame
Blindage
Gaine Isolant
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signal sur une distance denviron 185m sans affaiblissement. Il fait partie de la famille
RG-58 dont limpdance est de 50.
On a :
Cble Description
RG-58/U brin central avec un unique toron de cu
RG-58A/U torsad
RG-58C/U Verion militaire de RG-8A/U
RG-59 Tx large bande (TV par cble)
Le 10 base 5 ou cble coaxial pais (thicknet ou Thick Ethernet, appel yellow cable)
Cest un cble blind de plus gros diamtre (12mm) et 50 dimpdance. La distance
susceptible dtre parcourue par les signaux est grande, cela lui permet de transmettre
sans affaiblissement des signaux sur une distance atteignant 500m (sans ramplification
du signal) sa bande passante est de 10Mbps. Il est employ comme cble principal
(backbone) pour relier des petits rseaux dont les ordinateurs sont connects avec de
Thinet, mais il est moins flexible que le thinet
Les connecteurs pour cble coaxial
Thinet et thicknet utilisent tous deux le BNC (Boyet neill Cancelman ou british naval
connector) servant relier les cbles aux ordinateurs.
Dans la famille BNC on trouve :
Le connecteur pour le BNC: soud ou sorti lextrmit du cble
Le BNC en T : relie la carte rseau des ordinateurs au cble du rseau.
Prolongateur BNC : il relie 2 segments de cble coaxial afin dobtenir un cble plus long.
Bouchon de terminaison BNC : il est plac chaque extrmit du cble dun rseau en
Bus pour absorber les signaux parasites. Il est reli la masse.
b) Le TRANSCEIVER
Cest la connexion entre Thinet et Thicknet ; elle se fait grce au transceiver. Il est muni dune
prise dite Vampire qui effectue la connexion en transperant lenveloppe isolante. Le cble
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du transceiver (drop cable) est branch sur connecteur AUI (Attachement unit Interface) appel
galement connecteur DIX (Digital Intel Xerox)
c) La paire torsade
En anglais TWISTED PAIR (CBLE) ; il est constitu de deux brins en cuivre entrelaces en
torsad et recouverts disolants.
Il y a 2 types de paires torsades :
- Le STP : shielded Twisted pair : blindes
- Le UTP : Unshielded Twisted pair : non blinde
Catgories des UTP
Catgorie 1: cble tlphonique traditionnel, transport de voix, mais pas de donnes
Catgorie 2 : transmission des donnes 4 Mbits/sec de service). Il a 4 paires torsades
Catgorie 3 : 10Mbits par seconde au maximum. 4 paires torsades et 3 torsions par pied.
Catgorie 5 : 100Mbits/sec max : 4 paires torsades en cuivre
Catgorie 5me : 1000Mbit /sec max : 4 paires torsade en cuivre.
Le problme majeur provient du fait que le cble UTP est sujet aux interfrences. La seule
solution rside dans le blindage.
Connecteurs pour la paire torsade
RJ-45 ; similaire au RJ-11 utilis dans la tlphonie. Il est lgrement plus grand et ne peut tre
insr dans une prise de tlphone RJ-11. De plus RJ-45 se compose de 8 broches alors que le
RJ-11 nen possde que 6 ou 4.
III.3.2. La fibre optique
Cest un cble possdant de nombreux avantages :
- Lgret
- Immunit au bruit
- Faible attnuation
- Tolre des dbits de londe de 100mbits/sec
- Largeur de bande de quelques dizaines de MHZ plusieurs gigahertz (fibre monomode).
Le cblage optique est particulirement adapt la liaison entre rpartiteurs (liaison
centrale entre plusieurs btiments, appel BACKBONE ou en franais pine dorsale) car
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elle permet des connexions sur des longues distances (de quelques kilomtres 60km
dans le cas de la fibre monomode ncessit la mise la masse. De plus, ce type de cble
est trs dur car il est extrmement difficile de mettre un tel cble sur coute.
III.3.3. Transmission par satellite
Cette transmission utilise comme principe une station terrestre vers le satellite (voie
montante). Le satellite nest quun simple rcepteur. Il rgnre des signaux et les rmets en
direction de la terre (voie descendante).
III.4. Les canaux de transmission
On appelle canal de transmission, une bande troite de frquence utilisable pour une
communication. Une ligne de transmission est une liaison entre les deux machines : un
metteur (qui envoie les donnes) et le rcepteur (qui les reoit).
La ligne de transmission, parfois appele CANAL de transmission ou voie de transmission nest
pas forcment constitue dun seul support physique de transmission ; cest pourquoi les
machines dextrmits (par opposition aux machines intermdiaires), appeles ETTD
(quipement Terminal de traitement de donnes) ou en anglais DTE Data terminal
Equipment) possdant chacune un quipement relatif au support physique auxquelles elles
sont relies, appel ETCD (quipement terminal de circuits de donnes) ou DCE (data
communication quipment.
- On nomme circuit de donnes lensemble constitu des ETCD de chaque machine et de
la ligne de donnes.
Circuits de donnes
ETTD
ETTD
ETCD
ETCD
Voie de Transmission
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La propagation sur un support physique se fait par propagation dun phnomne vibratoire. Il
en rsulte un signal ondulatoire dpendant de la grandeur physique que lon fait varier :
- Dans le cas de la lumire : une onde lumineuse
- Dans le cas du son : une onde acoustique
- Dans le cas de lintensit dun courant lectrique, leur amplitude et leur phase.
Types de supports physiques
Les supports physiques de transmission permettent de faire circuler les informations entre les
quipements de transmission. Trois types de support existent :
- Les supports filaires : font circuler une grandeur lectrique sur un cble mtallique.
- Les supports ariens : lair ou le vide ; ils permettent la circulation dondes
lectromagntiques ou radiolectriques diverses.
- Les supports optiques : ils permettent dacheminer des informations sous forme
lumineuse.
Selon le type de support physique, la grandeur physique a une vitesse de propagation plus
ou moins rapide (par exemple ; le son se propage dans lair une vitesse de 300m/s alors
que la lumire a une clrit proche de 300 000km/s.
Perturbations
Les transmissions de donnes sur une ligne ne se font pas sans pertes. Tout dabord, le temps
de transmission nest pas immdiat, ce qui impose une certaine synchronisation des donnes
la rception. Dautre part, des parasites ou des dgradations du signal peuvent apparatre.
Les parasites (souvent appels Bruits) sont lensemble des perturbations modifiant
localement la forme du signal. On distingue :
- le bruit blanc : cest une perturbation uniforme du signal c d quil rajoute au signal une
petite amplitude dont la moyenne sur le signal est nulle. Le bruit blanc est caractris
par un ratio appel Rapport Signal sur bruit qui traduit le pourcentage damplitude du
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signal par rapport au bruit (son unit est le dcibel). Celui-ci doit tre plus lev
possible.
- Les bruits impulsifs : ce sont de petits pics dintensit provoquant des erreurs de
transmission
- Laffaiblissement du signal reprsente la perte de signal en nergie dissipe dans la
ligne. Laffaiblissement se traduit par un signal de sortie plus faible que le signal
dentre et est caractrise par la valeur :
alenentreniveausignLogA
sortieau signalniveau 20 .
Laffaiblissement est proportionnel la longueur de la voie de transmission et la
frquence du signal.
- La distorsion du signal caractrise le dphasage entre le signal en entre et le signal en
sortie.
- Bande passante et capacit dun canal de transmission
La bande passante (bandwidth) dune voie de transmission est lintervalle de frquence sur
lequel le signal ne subit pas un affaiblissement suprieur une certaine valeur, gnralement
de 3db car 3dB correspond un affaiblissement du signal de 50%, on a donc :
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Une ligne de tlphone a, par exemple, une bande passante comprise entre 300 et 3400Hz
environ pour un taux daffaiblissement gal 3dB. La capacit dune voie est la quantit
dinformations (en bits) pouvant tre transmise sur la voie en une seconde.
C = WLog2 (1+0N
S)
c =capacit en bps
w = largeur de bande (en Hz)
N
S= rapport signal sur bruit de la voie
UPLOAD et DOWNLOAD
Le download est le tlchargement en mode descendant (du serveur vers votre ordinateur) et
le upload est le tlchargement en mode ascendant (de votre ordinateur vers le serveur).
Le download et le upload se font sur des canaux de transmission spars (sur un modem ou sur
une ligne spcialise).
Ainsi en envoyant un document (upload) on ne perd pas de bande passante en download.
Bande passante
Frquence
Affaiblissement
-
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III.5. LES TECHNOLOGIES DE TRANSMISSION
Les rseaux locaux radiolectriques utilisent les ondes radio ou infrarouges afin de transmettre
des donnes. La technique utilise lorigine pour les transmissions radio est appel
transmission en bande de base troite, elle consiste passer les diffrentes communications
par des canaux diffrents.
Les transmissions radio sont toutefois soumises de nombreuses contraintes rendant ce type
de transmission non suffisantes. Ces contraintes sont notamment :
- Le partage de la bande passante entre les diffrentes stations prsentes dans une mme
cellule.
- La propagation par des chemins multiples dune onde radio.
Une onde radio peut en effet se propager dans diffrentes directions et ventuellement
tre rflchie ou rfracte par des objets de lenvironnement physique, si bien quun
rcepteur peut tre amen recevoir quelques instants dintervalles deux mmes
informations ayant emprunt des cheminements diffrents par rflexions successives.
La couche physique dfinit ainsi initialement plusieurs techniques de transmission
permettant de limiter les problmes ds aux interfrences :
La technique de ltalement de spectre saut de frquence
La technique de ltalement de spectre squence directe
La technologie infrarouge
III.5.1. Tlcommunications avec talement de frquence (frequency
spectrum)
- La technique bande passante troite (narrow band) consiste utiliser une frquence
radio spcifique pour la transmission et la rception de donnes.
- La bande de frquence utilise doit tre aussi petite que possible afin de limiter les
interfaces sur les bandes adjacentes.
- Dans la technique dtalement de spectre (spead spectrum), un signal est transmis sur
une bande passante plus large que lensemble des frquences composant le signal
original ne serait transmis par des mthodes classiques de modulation.
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- Cette technique diminue le risque dinterfrences avec dautres signaux reus tout en
garantissant une certaine confidentialit. Ltalement de spectre utlise gnralement
une squence PN pseudo-alatoire cr par une porte logique pour taler le signal de
bande troite en un signal de relative large bande. Le rcepteur rcupre le signal
original en corrlant le signal ru avec une rplique de cette squence.
- A lorigine, se trouvaient deux motivations :
o Rsister aux efforts ennemis pour brouiller le signal
o Cacher la communication elle-mme
- De nos jours, laspect partage dune mme frquence par plusieurs utilisateurs (accs
multiple) est une de ses principales applications. Par ailleurs, ltalement de spectre
DSSS facilite les transmissions numriques dans le cas dinterfrences par trajets
multiples.
III.5.2. Technique de saut de frquence (FHSS=Frequency Hopping Spread
spectrum)
FHSS ou talement de spectre de frquence par saut de frquence ou talement de spectre par
vasion de frquence.
Cette technique consiste dcouper la large bande de frquence en un minimum de 75 canaux
(hops ou sauts) dune largeur de 1MHZ) ; puis de transmettre en utilisant une combinaison de
canaux connus de toutes les stations de la cellule.
- Dans la norme 802.11, la bande de frquence 2,4 2,4835GHZ permet de crer 79
canaux de 1MHZ. La transmission se fait ainsi en mettant successivement sur un canal
puis sur un autre pendant une courte priode de temps (denviron 400ms), ce qui
permet un instant donn de transmettre un signal plus facilement reconnaissable sur
une frquence donne.
- En effet, une station ne connaissant pas la combinaison de frquence utiliser, on ne
pouvait pas couter la communication car il tait impossible dans le temps imparti de
localiser la frquence sur laquelle le signal tait mis puis de chercher la nouvelle
frquence.
-
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38
- Aujourdhui, la squence de frquence est connue, ltalement de spectre par saut de
frquence nassure donc plus cette fonction de scurisation des changes.
- En contrepartie, le FHSS est utilis dans le standard 802.11 de telle manire rduire les
interfrences entre les T des diverses stations de base dune cellule.
III.5.3. Etalement de spectre squence directe (Direct Sequence Spread
Spectrum DSSS)
Il est connu aussi comme (DIRECT SEQUENCE CDMA). Cest une technique dtalement de
spectre utilise dans les communications par satellite et les rseaux sans fil.
Objectifs du DSSS
Rendre les signaux occupant une bande de frquence rduite, comme un signal de la
parole, plus rsistants aux brouillages rencontrs lors de la transmission
Permettre plusieurs liaisons de partager la mme frquence porteuse (Accs multiple
par rpartition par code). Pour cela, ils sont combins avec un signal pseudo-alatoire
de frquence bien plus leve. En consquence, le signal rsultant occupe une bande de
frquence plus large, dtermine par la frquence du signal pseudo alatoire ;
Cette technique sapplique des liaisons numriques, le signal dtalement est une
squence de code pseudo alatoire.
Le fait dtaler la puissance du signal mis sur une large bande diminue la densit de
puissance mise.
Dans le cadre dapplications militaires, le DSSS peut tre utilis dans un but autre :
dissimuler le signal en augmentant une ressemblance avec un bruit alatoire.
Technique DSSS
- Elle consiste transmettre pour chaque bit une squence Burber (parfois appele bruit
pseudo alatoire ou en anglais pseudo random noise, not PN) de bits. Ainsi, chaque
bit valant 1 est remplac par une squence de bits et chaque bit valant 0 par son
complment.
- La couche physique de la norme 802.11 dfinit une squence de 11 bits (10110111000)
pour reprsenter un 1 et son complment (01001000111) pour coder un zro. On
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appelle Chip ou CHIPPING CODE (en franais puce) ; chaque bit encod laide de la
squence.
Cette technique appele CHIPPING) revient donc moduler chaque bit avec la squence
Barker.
Grce au chipping de linformation redondante transmise, cela permet deffectuer des
contrles derreurs sur les transmissions, voire la correction derreurs.
Dans le standard 802.11b, la bande de frquence 2,400 2,4835GHZ (dune largeur de
83.5MHZ) a t dcoupe en 14 canaux spars de 5MHZ, dont seuls les 11 premiers sont
utilisables aux USA.
Voici les frquences associes aux 14 canaux.
Canal 1 2 3 4
Frq(GHZ) 2,411 22,41 72,42 22,42
5 6 7 8
72,43 22,43 72,44 22,44
9 10 11 12
72,45 22,45 72,46 22,46
13 14
72,47 22,484
1 0 1 1
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Toutefois, pour une transmission de 11 Mbps correcte, il est ncessaire de transmettre sur une
bande de 22MHZ car, daprs le thorme de SHANNON, la frquence dchantillonnage doit
tre au minimum gale au double du signal numriser. Ainsi, certains canaux recouvrent
partiellement les canaux adjacents, cest la raison pour laquelle des canaux isols (les canaux 1,
6 et 11) distants les uns des autres de 25MHZ sont gnralement utiliss.
Ainsi, si 2 points daccs utilisent les mmes canaux ont des zones dmission qui se recoupent,
des distorsions du signal risquent de perturber la transmission. Ainsi, pour viter toute
interfrence, il est recommand dorganiser la rpartition des points daccs lutilisation des
canaux de telle manire ne pas avoir deux points daccs utilisant les mmes canaux proches
lun de lautre.
Figure
Le standard 802.11a utilise la bande de frquence 5,15GHZ 5,35GHZ et la bande 5,725GHZ
5,825GHZ, ce qui permet de dfinir 8 canaux distincts dune largeur de 20MHZ chacun ; c d
une bande suffisamment large pour ne pas avoir de parasites entre canaux.
1 11 1
6
11
6
1
11
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III.5.4. TECHNOLOGIE INFRAROUGE
Le standard IEEE 802.11 prvoit galement une alternative lutilisation des ondes radio : la
lumire infrarouge.
- La technologie infrarouge a pour caractristique principale dutiliser une onde
lumineuse pour la transmission de donnes.
Ainsi, les transmissions se font de faon unidirectionnelle, soit en vue directe, soit par une
rflexion. Le caractre peu dissipatif des ondes lumineuses offre un niveau de scurit plus
lev.
Il est possible grce la technologie infrarouge dobtenir des dbits allant de 1 2Mbits par
seconde en utilisant une modulation PPM (pulse Position Modulation).
Le PPM consiste transmettre des impulsions amplitude constante et code linformation
suivant la position de limpulsion.
Le dbit de 1Mbps est obtenu avec une modulation de 16-PPM tandis que le dbit de 2Mbps
est obtenu avec une modulation 4 PPM permettant de coder deux bits de donnes avec 4
positions possibles.
Tandis que la radio classique utilise une FM ou bien une AM, le standard 802.11b utilise la
modulation de phase (PSK).
Ainsi, chaque bit produit une rotation de phase. Une rotation de 180 permet de transmettre
des dbits peu levs (technique BPSK).
Une srie de 4 rotation de 90 (QPSK) permet des dbits deux fois plus levs.
OPTIMISATIONS
0 0
0 1
1 0
1 1
-
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- La norme 802.11b propose dautres types dencodage permettant doptimiser le dbit
de la transmission. Les deux squences Barker ne permettent de dfinir que deux tats
(0 ou 1) laide de mots de 11 bits (complments lun de lautre).
- Une mthode alternative appele CCK (complementary code keying) permet dencoder
directement plusieurs bits de donnes en une seule puce (chip) en utilisant 8 squences
de 64 bits. Ainsi, en codant simultanment 4 bits, la mthode CCK permet dobtenir un
dbit de 5,5Mbps et elle permet dobtenir un dbit de 11Mbps en codant 8 bits de
donnes.
- La technologie PBCC (Pacquet Binary Convolutionary Code) permet de rendre le signal
plus robuste vis--vis des distorsions dues au cheminement multiple des ondes
hertziennes.
- LOFDM (orthogonal Frquency division Multiplexing) permet dobtenir des dbits
thoriques de 54Mbps en envoyant les donnes en parallle sur les diffrentes
frquences.
Tableau
Technologie Codage Type de modulation Dbit
802.11b 11 bits (Barker sequence) PSK 1 Mbps
802.11b 11bits (Barker sequence) QPSK 2 Mbps
802.11b CCK (4 bits) QPSK 5,5 Mbps
802.11b CCK (8 bits) QPSK 11 Mbps
802.11a CCK (8 bits) OFDM 54 Mbps
802.11g CCK (8 bits) OFDM 54 Mbps
III.6. LES MODES DE TRANSMISSION
Pour une transmission donne sur une voie de communication entre deux machines, la
communication peut seffectuer de diffrentes manires. La transmission est caractrise par :
- Le sens des changes
- Le mode de transmission : il sagit du nombre de bits envoys simultanment.
- La synchronisation : il sagit de la synchronisation entre metteur et rcepteur.
-
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III.6.1. Tx analogique des donnes
Elle consiste faire circuler des informations sur un support physique de transmission sous la
forme dune onde. La transmission de donnes se fait par lintermdiaire dune onde porteuse,
une onde simple dont le seul but est de transporter les donnes par modification de lune de
ses caractristiques (amplitude, frquence ou phase), cest la raison pour laquelle la Tx
analogique est gnralement appele Tx par modulation donde porteuse.
a) Tx analogique de donnes analogiques
Ce type de Tx dsigne un schma dans lequel les donnes transmettre sont directement sous
forme analogique. Ainsi, pour transmettre un signal, lETCD doit effectuer une convolution
continue du signal transmettre et de londe porteuse c d que londe quil va transmettre
va tre une association de londe porteuse et du signal transmettre.
b) Tx analogique de donnes numriques
Lorsque les donnes numriques ont fait leur apparition, les systmes de transmission
taient encore analogiques, il a donc fallu trouver un moyen de transmettre des donnes
numriques de faon analogique. La solution ce problme tait le MODEM. Son rle est :
- A lmission : convertir les donnes numriques (O et 1) en signaux analogiques (la
variation continue dun phnomne physique : cest la modulation.
- A la rception : convertir le signal analogique en donnes numriques : cest la
dmodulation.
III.6.2. Transmission numrique des donnes
Elle consiste faire transiter les informations sur le support physique de communication sous
forme de signaux numriques. Ainsi, les donnes analogiques devront pralablement tre
numrises avant dtre transmises.
Signal analogique ETCP
Porteuse
Ligne
physique
-
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Toutefois, les informations numriques ne peuvent pas circuler sous forme de 0 et 1
directement, il sagit donc de les coder sous forme dun signal possdant deux tats, par
exemple :
- 2 niveaux de tension par rapport la masse
- La diffrence de tension entre 2 fils
- La prsence/absence de courant dans un fil
- La prsence/absence de lumire
Cette transformation de linformation sous forme binaire dun signal 2 tats est ralise par
lETCD, appel aussi Codeur Bande de base, do lappellation de Tx en bande de base pour la
designer la Tx numrique.
Codage des signaux
Pour que la Tx soit optimise, le signal doit tre cod de faon faciliter sa transmission sur le
support physique. Il existe deux catgories de codage :
- Le codage deux niveaux : le signal peut prendre uniquement une valeur strictement
ngative ou strictement positive (-X ou +X), X reprsentant une valeur de la grandeur
physique permettant de transporter le signal.
- Le codage 3 niveaux : le signal peut prendre une valeur strictement ngative, nulle ou
strictement positive (-X, 0 ou +X).
Codage NRZ (No Return to Zero)
Cest le premier systme de codage car le plus simple. Il consiste transformer les 0 en X et les
1 en +X, de cette faon on a un codage bipolaire dans lequel le signal nest jamais nul. Par
consquent, le rcepteur peut dterminer la prsence ou non dun signal.
Donnes numriques ETCD codeur
bande de base 110101110
Donnes analogique Convertisseur
A/N
ETCD Codeur
bande de
base
0110
-
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Codage NRZJ
Il est sensiblement diffrent du codage NRZ.
Avec lui, lorsque le bit est 1 le signal change dtat aprs le top de lhorloge. Lorsque le bit est
0, le signal ne subit aucun changement dtat.
Ce codage possde de nombreux avantages dont :
- La direction de la prsence ou non dun signal
- La ncessit dun faible courant de Tx du signal
Par contre, il possde un dfaut : la prsence dun courant continu lors dune suite de zro,
gnant la synchronisation entre lmetteur et le rcepteur.
1
0
+X
-X
Signal
original
Codage
NRZI
1
0
+x
X
-X
Signal
original
Codage
NRZ
-
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Le codage MANCHESTER
Il est aussi appel codage biphase ou PE (phase Encode). Il introduit une transition au milieu de
chaque intervalle. Il consiste en fait faire un Ou exclusif (XOR) entre le signal et le signal
dhorloge, ce qui se traduit par un front montant lorsque le bit est zro, un front descendant
dans le cas contraire.
Code delay Mode (de MILLER)
Il est proche du codage de MANCHESTER, la diffrence prs quune transition apparat au
milieu de lintervalle uniquement lorsque le bit est 1, cela permet de plus grands dbits.
Code Bipolaire simple
1
0
+X
-X
Signal
original
Codage MILLER
1
0
+X
-X
Signal
original
Codage
MANCHESTER
-
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Le codage bipolaire simple est un codage sur 3 niveaux. Il propose donc 3 tats de la grandeur
transporte sur le support physique :
- La valeur 0 lorsque le bit est 0
- Alternativement X ou X lorsque le bit est 1.
III.6.3. LE MULTIPLEXAGE
On appelle multiplexage , la capacit transmettre sur un seul support physique (appele
voie haute vitesse) des donnes provenant de plusieurs paires dquipements (metteurs et
rcepteur), on parle alors de voies basse vitesse.
Vitesse
On appelle multiplexeur , lquipement de multiplexage permettant de combiner les signaux
provenant des metteurs pour les faire transiter sur la voie haute vitesse. On nomme
dmultiplexeur, lquipement de multiplexage sur lequel les rcepteurs sont raccords la voie
haute vitesse.
Voie haute
vitesse
Multiplexage Dmultiplexage
1
0
+X
-X
Signal
original
Codage bipolaire
simple
-
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- Le multiplexage frquentiel
Il est aussi appel MRF (multiplexage par rpartition de frquence) ou FDM (Frequncey
division multiplexing). Il permet de partager la bande de frquence disponible sur la voie
haute vitesse en une srie de canaux de plus faible largeur afin de faire circuler en
permanence sur la voie haute vitesse les signaux provenant des diffrentes voies basse
vitesse.
Il est utilis sur les lignes tlphoniques et les liaisons physiques en paires torsades afin
den accrotre le dbit.
Le multiplexage temporel
Il est aussi appel MRT (multiplexage par rpartition dans le temps) ou TDM (time division
multiplexing). Il permet dchantillonner les signaux de diffrentes voies basse vitesse et de les
transmettre successivement sur la voie haute vitesse en leur allouant la totalit de la bande
passante, et ce, mme si celles ci ne possdent pas de donnes mettre.
Le multiplexeur statique
Il reprend les caractristiques de multiplexage temporel la diffrence prs quil ne transmet
sur la voie haute vitesse uniquement les voies basse vitesse comptant des donnes.
Les multiplexeurs se basent sur des statistiques concernant le dbit de chaque ligne basse
vitesse.
III.6.4. Liaisons SIMPLEX, HALF DUPLEX et FULL DUPLEX
Selon le sens des changes, on a 3 modes de transmission :
- La liaison SIMPLEX : elle caractrise une liaison dans laquelle les donnes circulent dans
un seul sens, c d de lmetteur vers le rcepteur. Ce genre de liaison est utile lorsque
les donnes nont pas besoin de circuler dans les deux sens (exemple : ordinateur vers
une imprimante ou la souris vers lordinateur, ).
ETTD
ETTD
ETCD
ETCD
-
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- La liaison Half duplex : (parfois appel liaison lalternat ou semi duplex)/
Elle caractrise une liaison dans laquelle les donnes circulent dans un sens ou lautre,
mais pas les deux simultanment. Ainsi, avec ce genre de liaison chaque extrmit de la
liaison met son tour. Ce type permet davoir une liaison bidirectionnelle utilisant la
capacit totale de la ligne.
- Liaison Full Duplex (ou duplex intgral)
Elle caractrise une liaison dans laquelle les donnes circulent de faon bidirectionnelle et
simultanment. Ainsi, chaque extrmit de la ligne peut mettre et recevoir en mme temps,
ce qui signifie que la bande passante est divise par deux pour chaque sens dmission des
donnes si un mme support de transmission est utilis pour les deux transmissions.
III.6.5. Transmission srie et parallle
Ce mode de transmission dsigne le nombre dunits lmentaires dinformations (bits)
pouvant tre simultanment transmises par le canal de communication. En effet, un processeur
ne traite jamais un seul bit la fois, il permet den traiter plusieurs (la plupart de temps 8 soit
un octet). Cest la raison pour laquelle la liaison de base sur un ordinateur est une liaison
parallle.
Liaison parallle
Cest la transmission simultane de N bits. Ces bits sont envoys simultanment sur N voies
diffrentes (une voie tant par exemple un fil, un cble ou tout autre support physique). La
liaison parallle des ordinateurs de type PC ncessite 10 fils.
ETTD
ETTD
ETCD
ETCD
ETTD
ETTD
ETCD
ETCD
Ou
-
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Ces voies peuvent tre :
N lignes physiques auquel cas chaque bit est envoy sur une ligne physique (cest la raison
pour laquelle les cbles parallles sont composs de plusieurs fils en nappe).
Une ligne physique est divise en plusieurs sous canaux par division de la bande
passante.
Ainsi chaque bit est transmis sur une frquence diffrente. Etant donn que les fils conducteurs
sont proches sur une nappe, il existe des perturbations (notamment haut dbit) dgradant la
qualit du signal.
Liaison srie
Dans une liaison en srie, les donnes sont envoyes bit par bit sur la voie de transmission.
Toutefois, tant donn que la plupart des processeurs traitant des informations de faon
parallle, il sagit de transformer des donnes arrivant de faon parallle en donnes sris
au niveau de lmetteur et inversement au niveau du rcepteur.
Ces oprations sont ralises grce un contrleur de communication, la plupart du temps une
puce UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), ce contrle fonctionne de la faon
suivant : la transmission parallle srie se fait grce un registre de dcalage. Le registre de
Machine A Machine B
Machine A Machine B
-
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dcalage permet, grce une horloge, de dcaler le registre (lensemble des donnes prsents en
parallle) dune position gauche, puis dmettre le bit de poids fort (celui le plus gauche) et
ainsi de suite.
- La transformation srie parallle
Elle se fait quasiment de la mme faon grce au registre de dcalage. Le registre de dcalage
permet de dcaler le registre dune position gauche chaque rception dun bit, puis
dmettre la totalit du registre en parallle lorsque celui-ci est plein et ainsi de suite.
III.6.6. TRANSMISSIONS SYNCHRONE ET ASYNCHRONE
Etant donn les problmes que pose la liaison de type parallle, cest la liaison srie qui est la
plus utilise. Toutefois puisquun seul fil transporte linformation, il existe un problme de
synchronisation entre lmetteur et le rcepteur, c d que le rcepteur ne peut pas priori
distinguer les caractres (ou mme de manire plus gnrale les squences de bits) car les bits
sont envoys successivement. Il existe deux types de transmission permet