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Unité d’Enseignement :
Introduction aux Télécommunications
Gilles Menez
Université Côte d’Azur
Département d’Informatique
email : menez@unice.fr
www : www.i3s.unice.fr/˜menez
17 janvier 2022: V 1.1
©Gilles Menez 1
Partie 1 : Introduction
Introduction :
1. Organisation de l’UE 3
2. Objectif pédagogique 4
3. Communication 5
3.1.L’homme . . . communiquant 6
3.2.Communication . . . Humaine 8
4. Télécommunications 11
4.1.Systèmes de télécommunications 18
4.2.Télécommunications et Réseaux 23
4.3."Sciences" des Télécommunications 24
5. Début des Télécommunications Modernes 25
5.1.Télégraphe de Chappe 26
5.2.Télécommunications ... électr*.* 30
5.3.Usages 31
5.4.L’industrie des télécommunications 32
5.5.Phases d’évolution des télécommunications 33
©Gilles Menez 2
Organisation de l’UE
Organisation de l’UE
ß SITE WEB Couches basses (i.e Télécommunications) : sur le LMS
de l’UCA
ß Volume : CM : 1,5h*6 = 9h ; TP : 1,5h*6 = 9h
ß Mise en garde : la difficulté majeure de ce cours réside dans le
volume de choses à comprendre et à retenir . . . mais aussi dans les
relations entre "ces choses" !
Tout n’est pas d’égale importance . . . je vais vous aider à détecter
les points importants MAIS il faut être ATTENTIF en cours !
ß Contrôle de connaissances : TPs/QCMs (60%) + CT (40%)
CT : 1h30 et souvent sans documents autorisés !
©Gilles Menez 3
Objectif pédagogique
Objectif pédagogique
L’objectif de ce cours est d’essayer d’exposer simplement quelques
concepts du domaine des télécommunications à un public de "futurs
informaticiens".
À C’est destiné à être "une leçon de choses" qui aurait pour
ambition de mettre en lumière quelques problématiques des
télécommunications et d’expliquer quelques solutions apportées.
Cela peut aussi être une invitation à l’approfondissement /
spécialisation . . . candidatures SupTelecom, SupElec, . . . ? !
Á Au niveau de l’"Informatique" (et donc du cursus L3, M1,. . . ), les
réseaux et les couches basses sont fondamentaux dans l’organisation
des applications contemporaines.
 C’est aussi l’occasion de faire un peu de Python et de
mathématiques très appliquées . . . donc on ne part pas en courant !
©Gilles Menez 4
Communication
Communication
On n’y était pas . . . mais on peut faire l’hypothèse que l’humain a sans
doute "communiqué" avant de faire des calculs.
Et même si on a mis un peu de temps à inventer les nombres entiers et le
calcul, ces concepts restent "stables" et perdurent.
. . . alors que les "télécommunications" évoluent en permanence et
subissent de profondes modifications périodiquement.
On va essayer dans un premier temps de cerner ce que sont les
télécommunications.
ã l’idée étant de comprendre pourquoi cela "bouge" tout le temps ?
. . . sans doute parce que le concept évolue ! !
©Gilles Menez 5
Communication
L’homme . . . communiquant
L’homme est un communiquant
Même si plusieurs espèces ont des moyens de communication, rien de
comparable aux élaborations humaines n’a été observé jusqu’à présent [?].
http://www.hominides.com
©Gilles Menez 6
Communication
L’homme . . . communiquant
7 Milliards de façons de communiquer ?
7 Milliards de "clients accros " !
ã La vraie question :
Sait-on "ne pas communiquer" ?
Non seulement cela fait beaucoup (et encore
on ne compte pas les "objets" de l’IdO/IoT)
mais en plus tout le monde ne communique
pas la même chose, ni de la même manière !
ã Réseaux sociaux (Web),
ã Chat, Messagerie (Text),
ã Streaming (Audio/Vidéo)
ã . . .
©Gilles Menez 7
Communication
Communication . . . Humaine
Communication . . . Humaine
Définition de "Communication" :
"action d’établir une relation avec autrui, de transmettre quelque chose (une
information, un message, . . . ) à quelqu’un"
Cette relation, entre humains, peut utiliser, à l’alternance ou simultanément,
plusieurs vecteurs "sensitifs" :
ã ouïe : le message est un son, un bruit (tamtam), une parole, . . .
ã vue : le message est un geste, un dessin, un écrit, une image, . . .
ã toucher : le message est un coup, une caresse, un texte braille, . . .
ã l’odorat et le goût certes moins exploités dans ce contexte de
communication par l’humain (6= animaux) !
Un système de télécommunication humaine va utiliser ces vecteurs pour
transmettre une information . . . plus ou moins bien !
©Gilles Menez 8
Communication
Communication . . . Humaine
Complexité de la communication humaine
Lors d’une simple (en apparence) interaction "humaine", plusieurs "vecteurs
sensitifs sont simultanément utilisés pour communiquer :
ã Les études montrent que 93% de cette interaction humaine (y compris le
contenu émotionnel) relève de la communication non verbale !
Dimensions de la communication :
4 7% est verbale (signification des mots),
4 38% est vocale (ton de la voix)
4 et 55% est visuelle.
La petite conclusion :
ã Travaillez vos présentations/exposés/. . . en
tenant compte de cela !
La grosse conclusion : on comprend le "manque" ressenti lorsque l’on utilise un
système de télécommunication comme le téléphone classique . . . que ne
transmet "que" 7% !
©Gilles Menez 9
Communication
Communication . . . Humaine
Et puis vint les machines . . .
On y reviendra . . . MAIS il faut être conscient que lorsque les machines
commencent à communiquer, les systèmes de télécommunications existent
depuis bien longtemps.
ã Une autre forme de communication ? ? ?
©Gilles Menez 10
Télécommunications
Télécommunications
©Gilles Menez 11
Télécommunications
Communications humaines distantes
Tout naturellement, l’humain cherche à communiquer de loin.
Dans l’Antiquité, la communication à distance s’est imposée comme un besoin
et une nécessité :
ã torches et phares lumineux pour la navigation,
ã tambours et trompettes sur les champs de bataille, . . .
ã et bien sûr, développement ou adoption de l’écriture (caractérisation de
l’antiquité),
L’écriture est fondamentale mais c’est une communication "non interactive" !
©Gilles Menez 12
Télécommunications
Les communications sonore (ouïe) et optique (vue) induisent/permettent
naturellement une propriété de propagation et donc la possibilité d’une
distance entre les participants.
ã Utilisation intuitive : le cri, le mouvement, . . .
©Gilles Menez 13
Télécommunications
Mais pour augmenter les performances de ces utilisations intuitives,
ã aller plus loin,
ã joindre plus de personnes, . . .
. . . il va falloir des systèmes de communication !
©Gilles Menez 14
Télécommunications
Télé. . . communications
Le mot "télécommunication" apparaît début 1900 :
ß du préfixe grec "tele", signifiant loin,
ß et du latin "communicare", signifiant partager.
Il s’agit donc bien de "partager de loin" !
Après les "interlocuteurs", un nouvel élément "apparaît" :
le milieu de propagation / "le médium"
©Gilles Menez 15
Télécommunications
La nature/la physique s’impose !
Une des difficultés à résoudre pour établir une télécommunication est celle de
l’établissement d’un lien entre deux ou plusieurs interlocuteurs.
ã L’existence de ce lien permet ensuite de s’en servir pour acheminer une
information.
Ce lien peut être construit sur différents type de média.
Parmi les supports physiques qui peuvent servir à la "transmission", on trouve :
ã Le fil de cuivre,
ã L’atmosphère,
ã La fibre,
ã . . .
AUCUN de CES MEDIA N’EST NEUTRE !
et leur caractérisation physique est une des contraintes qui va immédiatement
s’imposer au lien et donc aux télécommunications.
©Gilles Menez 16
Télécommunications
Quizz !
Trois limitations/problématiques induites par la
présence du médium (je vous donne des pistes) :
ã Ils sont partis 100 et ils sont arrivés 10 . . .
a - - - - - - - - - -
ã Ahhh si j’étais seul en amphi quand je fais cours !
- - - - t
ã Pourquoi papy n’entend plus mamy ?
b - - - - p - - - - - - -
©Gilles Menez 17
Télécommunications
Systèmes de télécommunications
Systèmes de télécommunications
Un système : un cahier des charges (quoi, qui, où, combien, comment . . . ) !
©Gilles Menez 18
Télécommunications
Systèmes de télécommunications
On remarque que :
À Maîtrise des ondes (/lien) électromagnétique => Véritable Révolution
(> 1838 = Télégraphe) et la densité des systèmes "explose" en 150 ans.
Á Beaucoup de systèmes sont encore utilisés : téléphone/radio.
Mais il y a des disparitions : Le dernier télégramme a été envoyé le 30
Avril 2018 . . . 139 ans après sa création.
A quand la fin du service postal ? du téléphone "POTS" ?
 Jusqu’en 1950, les télécommunications sont dédiées à l’humain.
Utilisation quasi exclusive des deux sens : ouïe, vue.
On remarque que la communication vocale réapparaît avec les avancées
technologiques sur les ondes magnétiques (filaires ou hertziennes)
à Vers 1950, l’apparition d’une nouvelle forme de télécommunication : Les
machines !
Ä Vers 1960, les textes sont les premiers "signaux" à être "mutés" sur
ordinateurs.
Désormais le texte, le son, l’image sont transmis par les systèmes.
©Gilles Menez 19
Télécommunications
Systèmes de télécommunications
Quizz !
Trois termes qui caractérisent les systèmes de
télécommunications récents ?
ã Des milliards d’interlocuteurs :
r - - - - - x
ã qui ne veulent plus être accrochés à un fil :
m - - - - - - é
ã qui veulent des communications les plus réalistes
qui soient :
m - - - i m - - - a
©Gilles Menez 20
Télécommunications
Systèmes de télécommunications
Réseaux/Networks
On associe désormais et systématiquement à ces systèmes des infrastructures,
des organisations, . . . des réseaux qui permettent de diffuser largement ces
communications EN PROPOSANT UNE ORGANISATION DES LIENS DE
TELECOMMUNICATION
©Gilles Menez 21
Télécommunications
Systèmes de télécommunications
Télécommunications "modernes"
Les télécommunications "modernes" sont caractérisées par des systèmes
qui exploitent la maîtrise de l’électricité/électromagnétisme pour
transmettre différents types d’information .
À information multiforme :
ß textes,
ß sons,
ß parole,
ß images,
ß vidéo,
ß . . .
Á média "electr*.*" qui relient les
communicants :
ß fil électrique,
ß câble coaxial,
ß fibre optique,
ß atmosphère,
ß . . .
©Gilles Menez 22
Télécommunications
Télécommunications et Réseaux
Les éléments du "système"/infrastructure de télécommunication doivent être
choisies/conçus en adéquation :
©Gilles Menez 23
Télécommunications
"Sciences" des Télécommunications
"Sciences" des Télécommunications
Les télécommunications sont parfois considérées comme des technologies et
techniques "appliquées" et non comme une science.
Pourtant, elles sont le fruit de convergences et d’interactions novatrices
entre différentes disciplines scientifiques :
À La physique/chimie définit les média de transmission : électricité,
radioélectricité, lumière.
Elle participe au développement des "composants" de
télécommunications : tubes, transistors, électronique et opto-électronique,
microprocesseurs, fibre, . . .
Elle permet d’améliorer le poids et l’autonomie des batteries.
Á Les mathématiques formalisent les développements des théories du
traitement du signal, de la cryptologie (sécurisation des échanges), de la
théorie de l’information et du numérique.
 L’informatique intervient dans les mécanismes de conception et
d’exploitation des télécommunications (abstractions, protocoles,. . . ).
©Gilles Menez 24
Début des Télécommunications Modernes
Télécommunications modernes
ß Un peu d’histoire,
Cela explique souvent le présent !
ß Des perspectives . . .
©Gilles Menez 25
Début des Télécommunications Modernes
Télégraphe de Chappe
Télécommunications optiques
A l’aube des télécommunications modernes, les pavillons (ou télégraphe
optique) de Claude Chappe permettent d’acheminer une information sur des
distances importantes : les problèmatiques sont déjà là !
4 Communication optique,
4 Communication numérique (on va y revenir !)
On compose des chiffres/nombres qui codent jus-
qu’à 999 mots (ou expressions) différents.
4 Un réseau.
Cette infrastructure rencontre un large succès !
ã nombreux participants
ã couverture nationale
©Gilles Menez 26
Début des Télécommunications Modernes
Télégraphe de Chappe
Infrastucture de Chappe
En 1844, 534 tours quadrillent le territoire français reliant sur plus de 5 000 km
les plus importantes agglomérations :
©Gilles Menez 27
Début des Télécommunications Modernes
Télégraphe de Chappe
Mais le système a d’évidentes contraintes : des problématiques récurrentes !
À Déploiement et Mise en œuvre . . . nécessité des "relais" !
Á Accessibilité des Usagers
 Faible débit
Il fallait compter 20 minutes pour qu’un code soit relayé de Paris à Brest.
â À raison de 40 secondes environ entre chaque mot ou expression, la
transmission d’un message de 10 mots prenait une heure.
à Rupture du/des lien(s)
Le réseau est très sensible au milieu atmosphériques (nuage, pluie, . . . ).
En cas de "paralysies" en court de route (un relais continuait à répéter le
signe tant qu’il n’était pas transmis, ce qui obligeait l’ensemble de la
chaîne à répéter le même signal tant que le relais ne se faisait pas.)
Ä Confidentialité Seul le transmetteur et seul le récepteur (en début et fin
de relais) avaient un exemplaire du livre des codes.
â Cela permettait de transmettre des messages en toute confidentialité.
©Gilles Menez 28
Début des Télécommunications Modernes
Télégraphe de Chappe
Anecdote : Concurrence, Piratage et VPN
La sécurité ? . . .
" . . . le plus ébahissant concerne incontestablement l’existence de diverses lignes
clandestines (Paris-Lyon, Angoulème-Bordeaux, Paris-Bruxelles) organisées
pour les besoins des spéculateurs en bourse et du monde des affaires.
Le procédé le plus rocambolesque est à inscrire au passif de banquiers bordelais
aussi ingénieux qu’indélicats, qui parvinrent à faire diffuser des signaux
clandestins sur le réseau officiel à l’aide de complicités internes.
Le procès de leur réseau démasqué passionna la France en 1837, d’autant qu’il
se conclut par un acquittement général, la loi n’ayant pas prévu la répression
d’un tel cas de figure . . . " [?]
Un premier exemple de "VPN" clandestin ?
©Gilles Menez 29
Début des Télécommunications Modernes
Télécommunications ... électr*.*
Télécommunications ... électr*.*
Les télécommunications se caractérisent par l’utilisation des avancées dans les
domaines technologiques.
ã Les télécommunications "modernes" apparaissent avec l’électricité,
l’électromagnétisme, l’électronique,. . .
Dés 1840, des inventeurs comme
ß Samuel Morse
avec le télégraphe ,
ß Antonio Meucci
ß Alexander Graham Bell
avec le téléphone ,
ß Guglielmo Marconi
avec la radio ,
vont proposer des dispositifs révolutionnaires exploitant ces avancées
scientifiques.
©Gilles Menez 30
Début des Télécommunications Modernes
Usages
Usages
L’évolution des systèmes de télécommunications alimente l’évolution des
produits/services/usages ! (et réciproquement)
Convergence des solutions :
4 mobiles,
4 multimédia (parole, image, données, musique, vidéo, . . . ) ,
4 et multi-échelles (du PAN au WAN).
©Gilles Menez 31
Début des Télécommunications Modernes
L’industrie des télécommunications
L’industrie des télécommunications
Les télécommunications constituent une partie importante de l’économie
mondiale, et font l’objet de régulations au niveau mondial.
Version actualisée : p.4 de https://www.wto.org/french/res_f/statis_f/its2015_f/its15_merch_trade_product_f.pdf
Les investissements ont été et sont encore gigantesques (5G, IoT, . . . ) => études,
projets, jobs !
©Gilles Menez 32
Début des Télécommunications Modernes
Phases d’évolution des télécommunications
Phases d’évolution des télécommunications
Comprendre pourquoi et comment !
©Gilles Menez 33
Partie 2 : Signaux et Liens
Dans cette deuxième partie, au travers du début des télécommunications
modernes (télégraphe et téléphone) nous étudions la nature des signaux
transmis et les liens physiques qui se mettent en place :
6. La phase de téléphonie 35
6.1.Le télégraphe 36
6.2.Le réseau du télégraphe 40
6.3.Information numérique 43
6.4.Signal télégraphique 44
6.5.Signal de parole 48
6.6.Signal continu analogique 49
6.7.Signal discret numérique 51
7. Numérisation 53
7.1.Intérêts de la numérisation 54
7.2.Inconvénients 56
7.3.Supports Audio 57
7.4.CAN/CNA 58
7.5.Pulse Code Modulation (PCM) 59
7.6.Echantillonnage 61
7.7.Signal sinusoidal 63
7.8.Représentation fréquentielle 68
7.9.Spectre 70
7.10.Spectre du signal carré 71
7.11.Convolution 73
7.12.Shannon 80
7.13.Quantification 82
7.14.Rapport Signal/Bruit 87
7.15.SNR d’un quantificateur uniforme 89
7.16.Le dB pour mesurer les "sons" 91
7.17.Quantification logarithmique 92
7.18.Encodage 94
8. La phase de téléphonie 97
8.1.Le téléphone 98
8.2.Signalisation 101
8.3.Création d’un circuit 102
9. Modèle d’un lien de télécommunication 105
9.1.Notion de canal 109
9.2.Notion de réseau 113
©Gilles Menez 34
La phase de téléphonie
La phase de la téléphonie
La plus longue . . . donc très influente technologiquement et
structurellement.
ß Notamment intéressante car elle montre qu’un réseau ubiquitaire
commence par être analogique.
C’est l’occasion d’expliquer "analogique vs numérique".
ß Elle "vit" encore . . . mais elle mute !
ß Dissolution dans les technologies dédiées aux machines qui
constitueront à terme "la" convergence : numérisation !
©Gilles Menez 35
La phase de téléphonie
Le télégraphe
La phase de téléphonie
Cette première phase (la plus longue) qui est celle de la téléphonie commence
par le télégraphe !
À En 1844, Samuel Morse émet son premier message sur le "réseau
télégraphique Morse"
ã Mise en correspondance de deux points par un simple fil de fer
reliant Baltimore (Maryland) et Washington DC (65 Kms).
Á Vingt ans plus tard (1861-1865), le télégraphe joue un rôle prépondérant
durant la guerre de sécession :
ã Le général Grant l’utilise pour
coordonner le mouvement de ses
troupes durant la bataille.
©Gilles Menez 36
La phase de téléphonie
Le télégraphe
Le télégraphe
L’invention de Morse se situe à deux niveaux :
ã la machine,
"des piles, un interrupteur, un électro-aimant, du papier et des fils de
cuivre"
ã une mise en forme adéquate de l’information : le codage
Le code morse, composé de deux symboles/états : "courts" et "longs".
De ce fait, le signal émis est numérique . . . on va y revenir !
©Gilles Menez 37
La phase de téléphonie
Le télégraphe
La physique du télégraphe
Principe de fonctionnement d’un télégraphe électrique :
1.station transmettrice, 2.station réceptrice, 3.manipulateur, 4.batterie, 5.terre, 6.ligne,
7.électroaimant, 8.poinçon, 9.bobine de papier, 10.rouleau encré, 11.rouleau entraînant, 12.bande
de papier
https://fr.wikipedia.org/wiki/Télégraphe
©Gilles Menez 38
La phase de téléphonie
Le télégraphe
Ou est la richesse de cette première technologique ?
Samuel Morse n’a pas "inventé" le télégraphe,
ã 50 ans auparavant (1793), le télégraphe optique de Chappe permettait la transmission de
dépèches à des centaines de lieues.
ã Il n’a pas non plus inventé le "télégraphe électrique" : Soemmerring, Steinheil, Gauss et
Weber (Allemagne), Ampère (France), Schilling (Russie), Richtie, Alexander et Wheastone
(UK), avaient déjà trouvé des solutions pour transmettre des messages à l’aide de
l’électricité.
ã C’est un peintre ;-)
La contribution de Morse a été de synthétiser des connaissances
fonctionnelles pour concevoir "un produit" :
ã une machine simple, pratique, efficace,
ã bon marché, rustique, facile à utiliser.
Et de le vendre en réussissant à convaincre (non sans mal) ses contemporains
de réaliser une expérience ("proof of concept") suffisamment spectaculaire pour
frapper les imaginations :
"La liaison télégraphique entre Washington et Baltimore : 65 Kms"
©Gilles Menez 39
La phase de téléphonie
Le réseau du télégraphe
Le réseau du télégraphe
En 1866 (t0 + 22 ans), le réseau américain est un "fil électrique" long de 65.000
Kms "entrecoupé" par 22.000 bureaux télégraphiques : env. 1 tous les 30
Kms !
ã Il s’agit d’un réseau de transport d’un signal numérique.
Il n’y a pas de "distribution vers des abonnés" !
ã Les bureaux permettent l’accès au réseau pour les utilisateurs mais aussi
la re-génération (utilisation d’un relais ou répéteur) ou la re-création du
signal (par l’opérateur) sur les liens :
Lorsque le signal reçu n’est pas suffisamment puissant pour marquer direc-
tement le ruban : un relais alimenté localement !
Un répéteur de signal télégraphique :
http://www.telegraphlore.com/instruments/athearnrptr/
athearnrptr.htm
©Gilles Menez 40
La phase de téléphonie
Le réseau du télégraphe
C’est déjà compliqué de tendre un cable !
©Gilles Menez 41
La phase de téléphonie
Le réseau du télégraphe
Sans redondance au niveau de l’interconnexion des bureaux, ce réseau est
très fragile :
©Gilles Menez 42
La phase de téléphonie
Information numérique
Information NUMERIQUE !
Le télégraphe est un système de télécommunication
entièrement numérique :
ã L’information source : alphabet
et
ã L’information transmise : code "Morse"
sont numériques : représentables par des nombres
(i.e. "que l’on pourrait associer à").
On caractérise plus loin dans le cours la notion de
signal "numérique" !
©Gilles Menez 43
La phase de téléphonie
Signal télégraphique
Signal télégraphique
Le signal électrique parcourant les lignes est très simple :
C’est un signal numérique (à seulement deux états d’où la "simplicité")
. . . adapté au télégraphe et aux technologies de l’époque.
©Gilles Menez 44
La phase de téléphonie
Signal télégraphique
Quizz !
Deux questions :
ã Quel est l’intérêt majeur d’un signal aussi simple ?
m - - - s s - - - - - - e au b - - - t
ã Quel est l’inconvénient majeur d’un signal aussi simple ?
d - - - t f - - - - e
©Gilles Menez 45
La phase de téléphonie
Signal télégraphique
Peut-on transmettre autre chose ?
Ce système est adapté à la transmission d’une information "texte".
ã MAIS toutes les informations (et tous les signaux électriques associés) ne
sont pas "forcément"/"naturellement" ni des textes, ni numériques !
Le signal électrique (obtenu par un microphone) associé à la parole est très
différent :
©Gilles Menez 46
La phase de téléphonie
Signal télégraphique
La parole provient d’une variation de la pression de l’air causée et émise par le
système articulatoire.
Grâce à un microphone, on peut convertir cette variation en un signal
électrique :
ã La tension ainsi obtenue est une grandeur physique,
ã Sa variation représente l’évolution de la pression sonore devant le
microphone.
Le signal électrique fourni par un microphone est un signal analogique dont
l’analyse est complexe MAIS intéressante si on veut comprendre comment
compresser ce signal . . .
©Gilles Menez 47
La phase de téléphonie
Signal de parole
La parole : analogique, continue et très redondante !
Enregistrement du signal correspondant au mot "SKI" :
Des "motifs" très significatifs / caractéristiques d’un signal de parole :
ã Le "s" : Aléatoire (zone A) / sons fricatifs.
ã Fin du "s" : Bruit (zone B).
ã Le "k" : Impulsionel (zone C) / phase explosive des sons occlusifs.
ã Le "i" : Pseudo-périodique (zone D) / sons voisés.
©Gilles Menez 48
La phase de téléphonie
Signal continu analogique
Signal continu analogique
Le terme analogique provient du fait que la mesure d’une valeur naturelle (ou
d’un élément de signal électrique) varie de manière analogue à la source.
Donc le signal électrique fourni par un
microphone est un signal analogique .
ã La tension ainsi obtenue est une
grandeur physique,
ã Sa variation représente l’évolution
de la pression sonore devant le mi-
crophone.
©Gilles Menez 49
La phase de téléphonie
Signal continu analogique
Signal continu analogique
La valeur x(t) d’un signal analogique "existe", par
nature, à chaque instant t ∈ R et a une valeur finie
x(t) ∈ R :
À t ∈ R
Á x(t) ∈ R
Un "signal analogique" (le "continu" est implicite) désigne un signal qui
possède ces deux propriétés : À + Á
ã C’est une classe importante de signaux autour de laquelle a été, par
exemple, développée la téléphonie de Graham Bell.
Et pourtant les télécommunications commencent par le numérique !
©Gilles Menez 50
La phase de téléphonie
Signal discret numérique
Signal discrétisé en temps
Un signal discret (discrétisé en temps) est un signal dont la valeur n’est
mesurable qu’à certains instants.
ã Il n’est pas défini/connu pour tout t ∈ R.
Un cas particulier important est celui où deux instants ti et ti+1 de définition
sont séparés du même temps Te appelé période d’échantillonnage :
Te = ti+1 − ti ∀i
©Gilles Menez 51
La phase de téléphonie
Signal discret numérique
Signal numérique
Un signal numérique (discrétisé en valeurs) est un signal dont la mesure à un
instant t ne peut prendre que certaines valeurs :
ã Signal binaire : 2 valeurs,
ã Signal ternaire : 3 valeurs
. . .
Souvent, notamment au niveau du stockage, on parle de signal numérique pour
désigner un signal qui possède ces deux propriétés.
ã C’est la seconde catégorie importante de signaux autour de laquelle a été
développée l’électronique logique et numérique.
L’évolution de la connaissance scientifique théorique et technologique (no-
tamment la banalisation de l’utilisation des ordinateurs) a permis d’utiliser
plus amplement le numérique !
©Gilles Menez 52
Numérisation
Numérisation
La nature n’est pas numérique . . . il va falloir la convertir !
ß Pulse Code modulation / Modulation par Impulsion Codée
Cela nécessite d’abstraire et de modéliser ce qu’est un "signal".
©Gilles Menez 53
Numérisation
Intérêts de la numérisation
Intérêts de la numérisation
Sous cette forme numérisée, le signal devient beaucoup plus robuste aux
petites perturbations lors d’une transmission ou d’un stockage.
Au final, le signal numérique est :
I plus tolérant aux bruits qui sont plus faciles à filtrer lors de la
régénération du signal,
I plus "compact" (t ∈ N, x(t) ∈ Z) ,
I plus simple à implanter électroniquement donc "informatisable".
©Gilles Menez 54
Numérisation
Intérêts de la numérisation
Convergence numérique
De plus, aprés codage, la numérisation permet un formalisme identique
pour les flux de parole, images, données :
I Que des "0" et des "1" . . . pour abstraction.
Du coup,
â Traitement : mêmes processeurs,
â Stockage : mêmes disques,
â Transmission : même réseaux,
â . . .
La HIFI !
Une poche de résistance ? Pourquoi ?
"convergence numériques" : Solution économe mais . . .
Quid de la nature des flux ?
©Gilles Menez 55
Numérisation
Inconvénients
Inconvénients de la numérisation
Nos cinq sens nous donnent une approche analogique du monde :
ã Les signaux analogiques sont "à temps continu", ils se présentent comme
des variations de grandeurs physiques pouvant prendre n’importe quelle
valeur de façon continue sur un intervalle de temps.
Dans ce contexte, un signal numérique est une "approximation" d’un signal
analogique et cette approximation induit l’acceptation d’une erreur qui est
constitue un bruit.
©Gilles Menez 56
Numérisation
Supports Audio
Supports Audio : Analogique et Numérique
http://www.micrographia.com/projec/projapps/viny/viny0200.htm
©Gilles Menez 57
Numérisation
CAN/CNA
CAN/CNA
Pour "numériser" les flux d’informations analogiques du monde réel et donc des
télécommunications "humaine" il est donc nécessaire de procéder à une double
conversion :
ß "CAN / ADC" : Convertisseur A / N ou Analog Digital Converter.
ß "CNA / DAC" : Convertisseur N / A ou Digital Analog Converter.
ß interfaces indispensables entre les mondes analogiques/numériques :
La numérisation permet de traiter informatiquement les flux :
ã c’est la numérisation du réseau !
©Gilles Menez 58
Numérisation
Pulse Code Modulation (PCM)
Pulse Code Modulation (PCM)
En francais, Modulation par Impulsions Codées (MIC) :
Il s’agit d’une méthode de représentation numérique non compressée d’un
signal analogique via une technique d’échantillonnage/quantification.
Elle est utilisée :
I pour la voix, en télécommunications
(RTC . . . au niveau du central ou
directement dans le terminal mobile)
I pour le son, notamment pour les
disques compacts audio (CD), pour
l’enregistrement sur bandes (DAT), les
disques optiques à haute capacité
(Blu-ray et HD DVD), ainsi que pour
les fichiers WAV standards, . . .
©Gilles Menez 59
Numérisation
Pulse Code Modulation (PCM)
Pulse Code Modulation (PCM) : 3 étapes
Les trois étapes de l’opération de PCM sont :
À Echantillonnage (Sampling)
Á Quantification (Quantizing)
 Encodage (Encoding)
©Gilles Menez 60
Numérisation
Echantillonnage
Echantillonnage
L’ opération d’échantillonnage correspond à une multiplication entre le signal
information I(t) et un signal théorique appelé "peigne de dirac".
ß C’est la discrétisation en temps !
©Gilles Menez 61
Numérisation
Echantillonnage
Période d’échantillonnage
Question ouverte : choix de Te (période d’échantillonnage) ?
ß On va y répondre . . . mais il faut des outils mathématiques.
©Gilles Menez 62
Numérisation
Signal sinusoidal
Signal sinusoidal
http://fr.wikipedia.org/wiki/Signal_sinusoidal :
Un signal sinusoïdal est un signal dont l’amplitude est une fonction sinusoïdale
du temps :
ß s(t) = sin(angle)
ß mais angle = f (t)
Si on représente une sinusoïde (t) :
Cette amplitude peut correspondre
ß à une mesure de pression acoustique (son),
ß à la mesure d’un déplacement (corde qui vibre),
ß à une quantité d’électrons en déplacement (courant électrique),. . .
©Gilles Menez 63
Numérisation
Signal sinusoidal
Signal sinusoïdal : Caractéristiques
Caractérisé par son amplitude , sa fréquence et sa phase à l’origine , un
signal sinusoïdal peut être formalisé ainsi :
s(t) = A.sin(ωt + φ)
avec :
ã A : l’ amplitude , aussi appelée
valeur crête.
ã ω : la pulsation en rad/s
ω = 2πf = 2π/T
ã (ωt + φ) : la phase instantanée
en radians.
ã φ : la phase à l’origine.
©Gilles Menez 64
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Signal sinusoidal
Représentation polaire
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  • 1. Unité d’Enseignement : Introduction aux Télécommunications Gilles Menez Université Côte d’Azur Département d’Informatique email : menez@unice.fr www : www.i3s.unice.fr/˜menez 17 janvier 2022: V 1.1 ©Gilles Menez 1 Partie 1 : Introduction Introduction : 1. Organisation de l’UE 3 2. Objectif pédagogique 4 3. Communication 5 3.1.L’homme . . . communiquant 6 3.2.Communication . . . Humaine 8 4. Télécommunications 11 4.1.Systèmes de télécommunications 18 4.2.Télécommunications et Réseaux 23 4.3."Sciences" des Télécommunications 24 5. Début des Télécommunications Modernes 25 5.1.Télégraphe de Chappe 26 5.2.Télécommunications ... électr*.* 30 5.3.Usages 31 5.4.L’industrie des télécommunications 32 5.5.Phases d’évolution des télécommunications 33 ©Gilles Menez 2 Organisation de l’UE Organisation de l’UE ß SITE WEB Couches basses (i.e Télécommunications) : sur le LMS de l’UCA ß Volume : CM : 1,5h*6 = 9h ; TP : 1,5h*6 = 9h ß Mise en garde : la difficulté majeure de ce cours réside dans le volume de choses à comprendre et à retenir . . . mais aussi dans les relations entre "ces choses" ! Tout n’est pas d’égale importance . . . je vais vous aider à détecter les points importants MAIS il faut être ATTENTIF en cours ! ß Contrôle de connaissances : TPs/QCMs (60%) + CT (40%) CT : 1h30 et souvent sans documents autorisés ! ©Gilles Menez 3 Objectif pédagogique Objectif pédagogique L’objectif de ce cours est d’essayer d’exposer simplement quelques concepts du domaine des télécommunications à un public de "futurs informaticiens". À C’est destiné à être "une leçon de choses" qui aurait pour ambition de mettre en lumière quelques problématiques des télécommunications et d’expliquer quelques solutions apportées. Cela peut aussi être une invitation à l’approfondissement / spécialisation . . . candidatures SupTelecom, SupElec, . . . ? ! Á Au niveau de l’"Informatique" (et donc du cursus L3, M1,. . . ), les réseaux et les couches basses sont fondamentaux dans l’organisation des applications contemporaines. Â C’est aussi l’occasion de faire un peu de Python et de mathématiques très appliquées . . . donc on ne part pas en courant ! ©Gilles Menez 4
  • 2. Communication Communication On n’y était pas . . . mais on peut faire l’hypothèse que l’humain a sans doute "communiqué" avant de faire des calculs. Et même si on a mis un peu de temps à inventer les nombres entiers et le calcul, ces concepts restent "stables" et perdurent. . . . alors que les "télécommunications" évoluent en permanence et subissent de profondes modifications périodiquement. On va essayer dans un premier temps de cerner ce que sont les télécommunications. ã l’idée étant de comprendre pourquoi cela "bouge" tout le temps ? . . . sans doute parce que le concept évolue ! ! ©Gilles Menez 5 Communication L’homme . . . communiquant L’homme est un communiquant Même si plusieurs espèces ont des moyens de communication, rien de comparable aux élaborations humaines n’a été observé jusqu’à présent [?]. http://www.hominides.com ©Gilles Menez 6 Communication L’homme . . . communiquant 7 Milliards de façons de communiquer ? 7 Milliards de "clients accros " ! ã La vraie question : Sait-on "ne pas communiquer" ? Non seulement cela fait beaucoup (et encore on ne compte pas les "objets" de l’IdO/IoT) mais en plus tout le monde ne communique pas la même chose, ni de la même manière ! ã Réseaux sociaux (Web), ã Chat, Messagerie (Text), ã Streaming (Audio/Vidéo) ã . . . ©Gilles Menez 7 Communication Communication . . . Humaine Communication . . . Humaine Définition de "Communication" : "action d’établir une relation avec autrui, de transmettre quelque chose (une information, un message, . . . ) à quelqu’un" Cette relation, entre humains, peut utiliser, à l’alternance ou simultanément, plusieurs vecteurs "sensitifs" : ã ouïe : le message est un son, un bruit (tamtam), une parole, . . . ã vue : le message est un geste, un dessin, un écrit, une image, . . . ã toucher : le message est un coup, une caresse, un texte braille, . . . ã l’odorat et le goût certes moins exploités dans ce contexte de communication par l’humain (6= animaux) ! Un système de télécommunication humaine va utiliser ces vecteurs pour transmettre une information . . . plus ou moins bien ! ©Gilles Menez 8
  • 3. Communication Communication . . . Humaine Complexité de la communication humaine Lors d’une simple (en apparence) interaction "humaine", plusieurs "vecteurs sensitifs sont simultanément utilisés pour communiquer : ã Les études montrent que 93% de cette interaction humaine (y compris le contenu émotionnel) relève de la communication non verbale ! Dimensions de la communication : 4 7% est verbale (signification des mots), 4 38% est vocale (ton de la voix) 4 et 55% est visuelle. La petite conclusion : ã Travaillez vos présentations/exposés/. . . en tenant compte de cela ! La grosse conclusion : on comprend le "manque" ressenti lorsque l’on utilise un système de télécommunication comme le téléphone classique . . . que ne transmet "que" 7% ! ©Gilles Menez 9 Communication Communication . . . Humaine Et puis vint les machines . . . On y reviendra . . . MAIS il faut être conscient que lorsque les machines commencent à communiquer, les systèmes de télécommunications existent depuis bien longtemps. ã Une autre forme de communication ? ? ? ©Gilles Menez 10 Télécommunications Télécommunications ©Gilles Menez 11 Télécommunications Communications humaines distantes Tout naturellement, l’humain cherche à communiquer de loin. Dans l’Antiquité, la communication à distance s’est imposée comme un besoin et une nécessité : ã torches et phares lumineux pour la navigation, ã tambours et trompettes sur les champs de bataille, . . . ã et bien sûr, développement ou adoption de l’écriture (caractérisation de l’antiquité), L’écriture est fondamentale mais c’est une communication "non interactive" ! ©Gilles Menez 12
  • 4. Télécommunications Les communications sonore (ouïe) et optique (vue) induisent/permettent naturellement une propriété de propagation et donc la possibilité d’une distance entre les participants. ã Utilisation intuitive : le cri, le mouvement, . . . ©Gilles Menez 13 Télécommunications Mais pour augmenter les performances de ces utilisations intuitives, ã aller plus loin, ã joindre plus de personnes, . . . . . . il va falloir des systèmes de communication ! ©Gilles Menez 14 Télécommunications Télé. . . communications Le mot "télécommunication" apparaît début 1900 : ß du préfixe grec "tele", signifiant loin, ß et du latin "communicare", signifiant partager. Il s’agit donc bien de "partager de loin" ! Après les "interlocuteurs", un nouvel élément "apparaît" : le milieu de propagation / "le médium" ©Gilles Menez 15 Télécommunications La nature/la physique s’impose ! Une des difficultés à résoudre pour établir une télécommunication est celle de l’établissement d’un lien entre deux ou plusieurs interlocuteurs. ã L’existence de ce lien permet ensuite de s’en servir pour acheminer une information. Ce lien peut être construit sur différents type de média. Parmi les supports physiques qui peuvent servir à la "transmission", on trouve : ã Le fil de cuivre, ã L’atmosphère, ã La fibre, ã . . . AUCUN de CES MEDIA N’EST NEUTRE ! et leur caractérisation physique est une des contraintes qui va immédiatement s’imposer au lien et donc aux télécommunications. ©Gilles Menez 16
  • 5. Télécommunications Quizz ! Trois limitations/problématiques induites par la présence du médium (je vous donne des pistes) : ã Ils sont partis 100 et ils sont arrivés 10 . . . a - - - - - - - - - - ã Ahhh si j’étais seul en amphi quand je fais cours ! - - - - t ã Pourquoi papy n’entend plus mamy ? b - - - - p - - - - - - - ©Gilles Menez 17 Télécommunications Systèmes de télécommunications Systèmes de télécommunications Un système : un cahier des charges (quoi, qui, où, combien, comment . . . ) ! ©Gilles Menez 18 Télécommunications Systèmes de télécommunications On remarque que : À Maîtrise des ondes (/lien) électromagnétique => Véritable Révolution (> 1838 = Télégraphe) et la densité des systèmes "explose" en 150 ans. Á Beaucoup de systèmes sont encore utilisés : téléphone/radio. Mais il y a des disparitions : Le dernier télégramme a été envoyé le 30 Avril 2018 . . . 139 ans après sa création. A quand la fin du service postal ? du téléphone "POTS" ? Â Jusqu’en 1950, les télécommunications sont dédiées à l’humain. Utilisation quasi exclusive des deux sens : ouïe, vue. On remarque que la communication vocale réapparaît avec les avancées technologiques sur les ondes magnétiques (filaires ou hertziennes) Ã Vers 1950, l’apparition d’une nouvelle forme de télécommunication : Les machines ! Ä Vers 1960, les textes sont les premiers "signaux" à être "mutés" sur ordinateurs. Désormais le texte, le son, l’image sont transmis par les systèmes. ©Gilles Menez 19 Télécommunications Systèmes de télécommunications Quizz ! Trois termes qui caractérisent les systèmes de télécommunications récents ? ã Des milliards d’interlocuteurs : r - - - - - x ã qui ne veulent plus être accrochés à un fil : m - - - - - - é ã qui veulent des communications les plus réalistes qui soient : m - - - i m - - - a ©Gilles Menez 20
  • 6. Télécommunications Systèmes de télécommunications Réseaux/Networks On associe désormais et systématiquement à ces systèmes des infrastructures, des organisations, . . . des réseaux qui permettent de diffuser largement ces communications EN PROPOSANT UNE ORGANISATION DES LIENS DE TELECOMMUNICATION ©Gilles Menez 21 Télécommunications Systèmes de télécommunications Télécommunications "modernes" Les télécommunications "modernes" sont caractérisées par des systèmes qui exploitent la maîtrise de l’électricité/électromagnétisme pour transmettre différents types d’information . À information multiforme : ß textes, ß sons, ß parole, ß images, ß vidéo, ß . . . Á média "electr*.*" qui relient les communicants : ß fil électrique, ß câble coaxial, ß fibre optique, ß atmosphère, ß . . . ©Gilles Menez 22 Télécommunications Télécommunications et Réseaux Les éléments du "système"/infrastructure de télécommunication doivent être choisies/conçus en adéquation : ©Gilles Menez 23 Télécommunications "Sciences" des Télécommunications "Sciences" des Télécommunications Les télécommunications sont parfois considérées comme des technologies et techniques "appliquées" et non comme une science. Pourtant, elles sont le fruit de convergences et d’interactions novatrices entre différentes disciplines scientifiques : À La physique/chimie définit les média de transmission : électricité, radioélectricité, lumière. Elle participe au développement des "composants" de télécommunications : tubes, transistors, électronique et opto-électronique, microprocesseurs, fibre, . . . Elle permet d’améliorer le poids et l’autonomie des batteries. Á Les mathématiques formalisent les développements des théories du traitement du signal, de la cryptologie (sécurisation des échanges), de la théorie de l’information et du numérique. Â L’informatique intervient dans les mécanismes de conception et d’exploitation des télécommunications (abstractions, protocoles,. . . ). ©Gilles Menez 24
  • 7. Début des Télécommunications Modernes Télécommunications modernes ß Un peu d’histoire, Cela explique souvent le présent ! ß Des perspectives . . . ©Gilles Menez 25 Début des Télécommunications Modernes Télégraphe de Chappe Télécommunications optiques A l’aube des télécommunications modernes, les pavillons (ou télégraphe optique) de Claude Chappe permettent d’acheminer une information sur des distances importantes : les problèmatiques sont déjà là ! 4 Communication optique, 4 Communication numérique (on va y revenir !) On compose des chiffres/nombres qui codent jus- qu’à 999 mots (ou expressions) différents. 4 Un réseau. Cette infrastructure rencontre un large succès ! ã nombreux participants ã couverture nationale ©Gilles Menez 26 Début des Télécommunications Modernes Télégraphe de Chappe Infrastucture de Chappe En 1844, 534 tours quadrillent le territoire français reliant sur plus de 5 000 km les plus importantes agglomérations : ©Gilles Menez 27 Début des Télécommunications Modernes Télégraphe de Chappe Mais le système a d’évidentes contraintes : des problématiques récurrentes ! À Déploiement et Mise en œuvre . . . nécessité des "relais" ! Á Accessibilité des Usagers  Faible débit Il fallait compter 20 minutes pour qu’un code soit relayé de Paris à Brest. â À raison de 40 secondes environ entre chaque mot ou expression, la transmission d’un message de 10 mots prenait une heure. à Rupture du/des lien(s) Le réseau est très sensible au milieu atmosphériques (nuage, pluie, . . . ). En cas de "paralysies" en court de route (un relais continuait à répéter le signe tant qu’il n’était pas transmis, ce qui obligeait l’ensemble de la chaîne à répéter le même signal tant que le relais ne se faisait pas.) Ä Confidentialité Seul le transmetteur et seul le récepteur (en début et fin de relais) avaient un exemplaire du livre des codes. â Cela permettait de transmettre des messages en toute confidentialité. ©Gilles Menez 28
  • 8. Début des Télécommunications Modernes Télégraphe de Chappe Anecdote : Concurrence, Piratage et VPN La sécurité ? . . . " . . . le plus ébahissant concerne incontestablement l’existence de diverses lignes clandestines (Paris-Lyon, Angoulème-Bordeaux, Paris-Bruxelles) organisées pour les besoins des spéculateurs en bourse et du monde des affaires. Le procédé le plus rocambolesque est à inscrire au passif de banquiers bordelais aussi ingénieux qu’indélicats, qui parvinrent à faire diffuser des signaux clandestins sur le réseau officiel à l’aide de complicités internes. Le procès de leur réseau démasqué passionna la France en 1837, d’autant qu’il se conclut par un acquittement général, la loi n’ayant pas prévu la répression d’un tel cas de figure . . . " [?] Un premier exemple de "VPN" clandestin ? ©Gilles Menez 29 Début des Télécommunications Modernes Télécommunications ... électr*.* Télécommunications ... électr*.* Les télécommunications se caractérisent par l’utilisation des avancées dans les domaines technologiques. ã Les télécommunications "modernes" apparaissent avec l’électricité, l’électromagnétisme, l’électronique,. . . Dés 1840, des inventeurs comme ß Samuel Morse avec le télégraphe , ß Antonio Meucci ß Alexander Graham Bell avec le téléphone , ß Guglielmo Marconi avec la radio , vont proposer des dispositifs révolutionnaires exploitant ces avancées scientifiques. ©Gilles Menez 30 Début des Télécommunications Modernes Usages Usages L’évolution des systèmes de télécommunications alimente l’évolution des produits/services/usages ! (et réciproquement) Convergence des solutions : 4 mobiles, 4 multimédia (parole, image, données, musique, vidéo, . . . ) , 4 et multi-échelles (du PAN au WAN). ©Gilles Menez 31 Début des Télécommunications Modernes L’industrie des télécommunications L’industrie des télécommunications Les télécommunications constituent une partie importante de l’économie mondiale, et font l’objet de régulations au niveau mondial. Version actualisée : p.4 de https://www.wto.org/french/res_f/statis_f/its2015_f/its15_merch_trade_product_f.pdf Les investissements ont été et sont encore gigantesques (5G, IoT, . . . ) => études, projets, jobs ! ©Gilles Menez 32
  • 9. Début des Télécommunications Modernes Phases d’évolution des télécommunications Phases d’évolution des télécommunications Comprendre pourquoi et comment ! ©Gilles Menez 33 Partie 2 : Signaux et Liens Dans cette deuxième partie, au travers du début des télécommunications modernes (télégraphe et téléphone) nous étudions la nature des signaux transmis et les liens physiques qui se mettent en place : 6. La phase de téléphonie 35 6.1.Le télégraphe 36 6.2.Le réseau du télégraphe 40 6.3.Information numérique 43 6.4.Signal télégraphique 44 6.5.Signal de parole 48 6.6.Signal continu analogique 49 6.7.Signal discret numérique 51 7. Numérisation 53 7.1.Intérêts de la numérisation 54 7.2.Inconvénients 56 7.3.Supports Audio 57 7.4.CAN/CNA 58 7.5.Pulse Code Modulation (PCM) 59 7.6.Echantillonnage 61 7.7.Signal sinusoidal 63 7.8.Représentation fréquentielle 68 7.9.Spectre 70 7.10.Spectre du signal carré 71 7.11.Convolution 73 7.12.Shannon 80 7.13.Quantification 82 7.14.Rapport Signal/Bruit 87 7.15.SNR d’un quantificateur uniforme 89 7.16.Le dB pour mesurer les "sons" 91 7.17.Quantification logarithmique 92 7.18.Encodage 94 8. La phase de téléphonie 97 8.1.Le téléphone 98 8.2.Signalisation 101 8.3.Création d’un circuit 102 9. Modèle d’un lien de télécommunication 105 9.1.Notion de canal 109 9.2.Notion de réseau 113 ©Gilles Menez 34 La phase de téléphonie La phase de la téléphonie La plus longue . . . donc très influente technologiquement et structurellement. ß Notamment intéressante car elle montre qu’un réseau ubiquitaire commence par être analogique. C’est l’occasion d’expliquer "analogique vs numérique". ß Elle "vit" encore . . . mais elle mute ! ß Dissolution dans les technologies dédiées aux machines qui constitueront à terme "la" convergence : numérisation ! ©Gilles Menez 35 La phase de téléphonie Le télégraphe La phase de téléphonie Cette première phase (la plus longue) qui est celle de la téléphonie commence par le télégraphe ! À En 1844, Samuel Morse émet son premier message sur le "réseau télégraphique Morse" ã Mise en correspondance de deux points par un simple fil de fer reliant Baltimore (Maryland) et Washington DC (65 Kms). Á Vingt ans plus tard (1861-1865), le télégraphe joue un rôle prépondérant durant la guerre de sécession : ã Le général Grant l’utilise pour coordonner le mouvement de ses troupes durant la bataille. ©Gilles Menez 36
  • 10. La phase de téléphonie Le télégraphe Le télégraphe L’invention de Morse se situe à deux niveaux : ã la machine, "des piles, un interrupteur, un électro-aimant, du papier et des fils de cuivre" ã une mise en forme adéquate de l’information : le codage Le code morse, composé de deux symboles/états : "courts" et "longs". De ce fait, le signal émis est numérique . . . on va y revenir ! ©Gilles Menez 37 La phase de téléphonie Le télégraphe La physique du télégraphe Principe de fonctionnement d’un télégraphe électrique : 1.station transmettrice, 2.station réceptrice, 3.manipulateur, 4.batterie, 5.terre, 6.ligne, 7.électroaimant, 8.poinçon, 9.bobine de papier, 10.rouleau encré, 11.rouleau entraînant, 12.bande de papier https://fr.wikipedia.org/wiki/Télégraphe ©Gilles Menez 38 La phase de téléphonie Le télégraphe Ou est la richesse de cette première technologique ? Samuel Morse n’a pas "inventé" le télégraphe, ã 50 ans auparavant (1793), le télégraphe optique de Chappe permettait la transmission de dépèches à des centaines de lieues. ã Il n’a pas non plus inventé le "télégraphe électrique" : Soemmerring, Steinheil, Gauss et Weber (Allemagne), Ampère (France), Schilling (Russie), Richtie, Alexander et Wheastone (UK), avaient déjà trouvé des solutions pour transmettre des messages à l’aide de l’électricité. ã C’est un peintre ;-) La contribution de Morse a été de synthétiser des connaissances fonctionnelles pour concevoir "un produit" : ã une machine simple, pratique, efficace, ã bon marché, rustique, facile à utiliser. Et de le vendre en réussissant à convaincre (non sans mal) ses contemporains de réaliser une expérience ("proof of concept") suffisamment spectaculaire pour frapper les imaginations : "La liaison télégraphique entre Washington et Baltimore : 65 Kms" ©Gilles Menez 39 La phase de téléphonie Le réseau du télégraphe Le réseau du télégraphe En 1866 (t0 + 22 ans), le réseau américain est un "fil électrique" long de 65.000 Kms "entrecoupé" par 22.000 bureaux télégraphiques : env. 1 tous les 30 Kms ! ã Il s’agit d’un réseau de transport d’un signal numérique. Il n’y a pas de "distribution vers des abonnés" ! ã Les bureaux permettent l’accès au réseau pour les utilisateurs mais aussi la re-génération (utilisation d’un relais ou répéteur) ou la re-création du signal (par l’opérateur) sur les liens : Lorsque le signal reçu n’est pas suffisamment puissant pour marquer direc- tement le ruban : un relais alimenté localement ! Un répéteur de signal télégraphique : http://www.telegraphlore.com/instruments/athearnrptr/ athearnrptr.htm ©Gilles Menez 40
  • 11. La phase de téléphonie Le réseau du télégraphe C’est déjà compliqué de tendre un cable ! ©Gilles Menez 41 La phase de téléphonie Le réseau du télégraphe Sans redondance au niveau de l’interconnexion des bureaux, ce réseau est très fragile : ©Gilles Menez 42 La phase de téléphonie Information numérique Information NUMERIQUE ! Le télégraphe est un système de télécommunication entièrement numérique : ã L’information source : alphabet et ã L’information transmise : code "Morse" sont numériques : représentables par des nombres (i.e. "que l’on pourrait associer à"). On caractérise plus loin dans le cours la notion de signal "numérique" ! ©Gilles Menez 43 La phase de téléphonie Signal télégraphique Signal télégraphique Le signal électrique parcourant les lignes est très simple : C’est un signal numérique (à seulement deux états d’où la "simplicité") . . . adapté au télégraphe et aux technologies de l’époque. ©Gilles Menez 44
  • 12. La phase de téléphonie Signal télégraphique Quizz ! Deux questions : ã Quel est l’intérêt majeur d’un signal aussi simple ? m - - - s s - - - - - - e au b - - - t ã Quel est l’inconvénient majeur d’un signal aussi simple ? d - - - t f - - - - e ©Gilles Menez 45 La phase de téléphonie Signal télégraphique Peut-on transmettre autre chose ? Ce système est adapté à la transmission d’une information "texte". ã MAIS toutes les informations (et tous les signaux électriques associés) ne sont pas "forcément"/"naturellement" ni des textes, ni numériques ! Le signal électrique (obtenu par un microphone) associé à la parole est très différent : ©Gilles Menez 46 La phase de téléphonie Signal télégraphique La parole provient d’une variation de la pression de l’air causée et émise par le système articulatoire. Grâce à un microphone, on peut convertir cette variation en un signal électrique : ã La tension ainsi obtenue est une grandeur physique, ã Sa variation représente l’évolution de la pression sonore devant le microphone. Le signal électrique fourni par un microphone est un signal analogique dont l’analyse est complexe MAIS intéressante si on veut comprendre comment compresser ce signal . . . ©Gilles Menez 47 La phase de téléphonie Signal de parole La parole : analogique, continue et très redondante ! Enregistrement du signal correspondant au mot "SKI" : Des "motifs" très significatifs / caractéristiques d’un signal de parole : ã Le "s" : Aléatoire (zone A) / sons fricatifs. ã Fin du "s" : Bruit (zone B). ã Le "k" : Impulsionel (zone C) / phase explosive des sons occlusifs. ã Le "i" : Pseudo-périodique (zone D) / sons voisés. ©Gilles Menez 48
  • 13. La phase de téléphonie Signal continu analogique Signal continu analogique Le terme analogique provient du fait que la mesure d’une valeur naturelle (ou d’un élément de signal électrique) varie de manière analogue à la source. Donc le signal électrique fourni par un microphone est un signal analogique . ã La tension ainsi obtenue est une grandeur physique, ã Sa variation représente l’évolution de la pression sonore devant le mi- crophone. ©Gilles Menez 49 La phase de téléphonie Signal continu analogique Signal continu analogique La valeur x(t) d’un signal analogique "existe", par nature, à chaque instant t ∈ R et a une valeur finie x(t) ∈ R : À t ∈ R Á x(t) ∈ R Un "signal analogique" (le "continu" est implicite) désigne un signal qui possède ces deux propriétés : À + Á ã C’est une classe importante de signaux autour de laquelle a été, par exemple, développée la téléphonie de Graham Bell. Et pourtant les télécommunications commencent par le numérique ! ©Gilles Menez 50 La phase de téléphonie Signal discret numérique Signal discrétisé en temps Un signal discret (discrétisé en temps) est un signal dont la valeur n’est mesurable qu’à certains instants. ã Il n’est pas défini/connu pour tout t ∈ R. Un cas particulier important est celui où deux instants ti et ti+1 de définition sont séparés du même temps Te appelé période d’échantillonnage : Te = ti+1 − ti ∀i ©Gilles Menez 51 La phase de téléphonie Signal discret numérique Signal numérique Un signal numérique (discrétisé en valeurs) est un signal dont la mesure à un instant t ne peut prendre que certaines valeurs : ã Signal binaire : 2 valeurs, ã Signal ternaire : 3 valeurs . . . Souvent, notamment au niveau du stockage, on parle de signal numérique pour désigner un signal qui possède ces deux propriétés. ã C’est la seconde catégorie importante de signaux autour de laquelle a été développée l’électronique logique et numérique. L’évolution de la connaissance scientifique théorique et technologique (no- tamment la banalisation de l’utilisation des ordinateurs) a permis d’utiliser plus amplement le numérique ! ©Gilles Menez 52
  • 14. Numérisation Numérisation La nature n’est pas numérique . . . il va falloir la convertir ! ß Pulse Code modulation / Modulation par Impulsion Codée Cela nécessite d’abstraire et de modéliser ce qu’est un "signal". ©Gilles Menez 53 Numérisation Intérêts de la numérisation Intérêts de la numérisation Sous cette forme numérisée, le signal devient beaucoup plus robuste aux petites perturbations lors d’une transmission ou d’un stockage. Au final, le signal numérique est : I plus tolérant aux bruits qui sont plus faciles à filtrer lors de la régénération du signal, I plus "compact" (t ∈ N, x(t) ∈ Z) , I plus simple à implanter électroniquement donc "informatisable". ©Gilles Menez 54 Numérisation Intérêts de la numérisation Convergence numérique De plus, aprés codage, la numérisation permet un formalisme identique pour les flux de parole, images, données : I Que des "0" et des "1" . . . pour abstraction. Du coup, â Traitement : mêmes processeurs, â Stockage : mêmes disques, â Transmission : même réseaux, â . . . La HIFI ! Une poche de résistance ? Pourquoi ? "convergence numériques" : Solution économe mais . . . Quid de la nature des flux ? ©Gilles Menez 55 Numérisation Inconvénients Inconvénients de la numérisation Nos cinq sens nous donnent une approche analogique du monde : ã Les signaux analogiques sont "à temps continu", ils se présentent comme des variations de grandeurs physiques pouvant prendre n’importe quelle valeur de façon continue sur un intervalle de temps. Dans ce contexte, un signal numérique est une "approximation" d’un signal analogique et cette approximation induit l’acceptation d’une erreur qui est constitue un bruit. ©Gilles Menez 56
  • 15. Numérisation Supports Audio Supports Audio : Analogique et Numérique http://www.micrographia.com/projec/projapps/viny/viny0200.htm ©Gilles Menez 57 Numérisation CAN/CNA CAN/CNA Pour "numériser" les flux d’informations analogiques du monde réel et donc des télécommunications "humaine" il est donc nécessaire de procéder à une double conversion : ß "CAN / ADC" : Convertisseur A / N ou Analog Digital Converter. ß "CNA / DAC" : Convertisseur N / A ou Digital Analog Converter. ß interfaces indispensables entre les mondes analogiques/numériques : La numérisation permet de traiter informatiquement les flux : ã c’est la numérisation du réseau ! ©Gilles Menez 58 Numérisation Pulse Code Modulation (PCM) Pulse Code Modulation (PCM) En francais, Modulation par Impulsions Codées (MIC) : Il s’agit d’une méthode de représentation numérique non compressée d’un signal analogique via une technique d’échantillonnage/quantification. Elle est utilisée : I pour la voix, en télécommunications (RTC . . . au niveau du central ou directement dans le terminal mobile) I pour le son, notamment pour les disques compacts audio (CD), pour l’enregistrement sur bandes (DAT), les disques optiques à haute capacité (Blu-ray et HD DVD), ainsi que pour les fichiers WAV standards, . . . ©Gilles Menez 59 Numérisation Pulse Code Modulation (PCM) Pulse Code Modulation (PCM) : 3 étapes Les trois étapes de l’opération de PCM sont : À Echantillonnage (Sampling) Á Quantification (Quantizing) Â Encodage (Encoding) ©Gilles Menez 60
  • 16. Numérisation Echantillonnage Echantillonnage L’ opération d’échantillonnage correspond à une multiplication entre le signal information I(t) et un signal théorique appelé "peigne de dirac". ß C’est la discrétisation en temps ! ©Gilles Menez 61 Numérisation Echantillonnage Période d’échantillonnage Question ouverte : choix de Te (période d’échantillonnage) ? ß On va y répondre . . . mais il faut des outils mathématiques. ©Gilles Menez 62 Numérisation Signal sinusoidal Signal sinusoidal http://fr.wikipedia.org/wiki/Signal_sinusoidal : Un signal sinusoïdal est un signal dont l’amplitude est une fonction sinusoïdale du temps : ß s(t) = sin(angle) ß mais angle = f (t) Si on représente une sinusoïde (t) : Cette amplitude peut correspondre ß à une mesure de pression acoustique (son), ß à la mesure d’un déplacement (corde qui vibre), ß à une quantité d’électrons en déplacement (courant électrique),. . . ©Gilles Menez 63 Numérisation Signal sinusoidal Signal sinusoïdal : Caractéristiques Caractérisé par son amplitude , sa fréquence et sa phase à l’origine , un signal sinusoïdal peut être formalisé ainsi : s(t) = A.sin(ωt + φ) avec : ã A : l’ amplitude , aussi appelée valeur crête. ã ω : la pulsation en rad/s ω = 2πf = 2π/T ã (ωt + φ) : la phase instantanée en radians. ã φ : la phase à l’origine. ©Gilles Menez 64