chapitre ii couche physique

Chapitre IICouche physique

ARCHITECTURE MATERIELLE DES SYSTEMES INFORMATIQUE

I – Codage de l’information 

Les réseaux de données ont pris naissances dans la numérisation des informations. Le codage des informations par des 0 et des 1. Plusieurs codes normalisés existent. Les principaux codes sont : le code ASCII, le code EBCDIC et Télégraphique.

II – Notion de transmission

Une fois le codage des données, il faut transmettre ses bits sur le réseau.

II – 1. Système de communication

Emetteur Récepteur

Sens de transmission

Canal deCommunication

Signal

II – Notion de transmission

Une fois le codage des données, il faut transmettre ses bits sur le réseau.

II – 1. Système de communication

Problème de la transmission :

Trouver une bonne transformation de l’information de signal tel que le canal soit capable de le propager correctement.

II – 2. Système de communication informatique

Dans le cas de système informatique, l’information à transmettre est une suite de bits et les éléments composants le bipoint du système sont :Les ETTD (Équipement  Terminaux de traitement de donnée : Ordinateurs, PC, imprimante, …).

Les ETCD (Équipement Terminal de circuit de Donnée) : Équipements qui permettent de transformer les bits en signaux (modem).

II – 2. Système de communication informatique

ETTD ETCD ETTDETCD

Emetteur Recepteur

Ligne deCommunication

II – 3. Notion de signal

Un signal est une grandeur physique qui évolue au cours du temps :

grandeur électrique (intensité, tension) ou une onde électromagnétique.

Mathématique : y(t) = V . sin(t + )

II – 4. Support de transmission

Les caractéristiques des supports de transmission (débit, taux d’erreurs) dépendent de la bande passante, de l’affaiblissement du signal … etc,

et de la façon d’utiliser le support pour transmettre des données (multiplexage ou non, …).

La Bande Passante : La bande passante d’une voie est la plage de fréquence sur laquelle la voie est capable de transmettre des signaux sans que leur affaiblissement soit trop important.

Fmin Fmax

B.P.

Fréquence

Rapport d’affaiblissement :

Courbe d’affaiblissement :

Le rapport d’affaiblissement =

Amplitude du signal reçu

Amplitude du signal émis

La Bande Passante :Un circuit de données est assimilable à un filtre de type Passe Bande.

Autrement dit, seule une certaine bande de fréquence est correctement transmise.

La réponse spectrale d’un circuit parfait indique une atténuation totale de toutes les fréquences extérieures à la bande.

Dans la pratique, la réponse n’est pas aussi franche, et on définit en général la bande passante (encore appelé largeur de bande du circuit par : W = f2 - f1

W est exprimé en Hertz (Hz)

Ces 2 fréquences f1 et f2, limitant la bande passante, correspondent à une puissance transmise P1 = P0 / 2Avec P0 représentant la puissance dans la bande. Cette largeur de bande est dite à 3 dB (décibel) :

10 log10 P0/ P1 = 10 log10 2 = 3 dB

La Bande Passante

La Bande Passante

La bande passante est très importante pour un circuit de données puisqu’elle détermine directement sa capacité de transmission.

Exemple : La ligne téléphonique usuelle ne laisse passer que les signaux dont l’affaiblissement est inférieur à 6 dB ce qui correspond à une plage de fréquences allant de 300 Hz à 3400 Hz. La bande passante est donc égale à 3100 Hz.

Capacité d’une voie

Dés 1924, H. Nyquist prouvait de façon empirique que la capacité d’un circuit de donnée est limitée par sa bande passante :

C = 2 WC’est C. Shannon qui en 1949 a prouvé que la capacité d’un canal de transmission n’était pas seulement limitée par la bande passante mais aussi par le rapport Signal/Bruit :

Quantité d’information pouvant être transmise en une seconde. S’exprime en bit/s. Voir aussi la notion de bauds, liées à la valence.

Capacité d’une voie

Exemple : Avec une ligne téléphonique usuelle

(W = 3100 Hz) et un rapport Signal/Bruit de 30 dB,

La capacité de transmission est d’environ

4500 bits/s.

En pratique, les débits binaires sur de telles voies n’excédaient guère 9600 bits/s.

Longueur élémentaire d’une voie

Longueur (en mètres) au-delà de laquelle le signal doit être amplifié ou répété pour être correctement reçu.

La longueur élémentaire est plus important dans le cas de la fibre optique que dans le cas du coaxial.

Temps de transfert

Durée qui sépare le début d’émission de la fin de réception :

T transfert = T émission + T propagation .

Taux d’erreur

Probabilité de perte ou d’altération d’une information (1 bit).

On peut la mesurer en calculant pendant un temps significatif le rapport du nombre de bits erronés sur le nombre de bits émis.

Rapidité de modulation et Débit binaire :

La rapidité de modulation R est la quantité d’informations transmises par moments élémentaires.

représente la durée (s) de l’intervalle significatif le plus court séparant deux instants significatifs successifs.

Dans une transmission asynchrone, il est préférable de se référer à la notion de rapidité de modulation.

Rapidité de modulation et Débit binaire :

Avec

I : La quantité d’information contenue dans un moment élémentaire,

N : Le nombre de valeurs différentes sur la ligne de transmission.

Pour ce faire, il suffit de regarder dans chaque moment élémentaire le nombre de bits qui sont transmis, ou de déterminer sur la ligne le nombre de valeur ou d’états différents qui existent et d’appliquer la formule suivante :

Rapidité de modulation et Débit binaire :

La relation entre D et R peut s’exprimer de la façon suivante :

Remarque : Dans le cas où l’on transporte 1 bit (cas où n =2 ) par moments élémentaires nous obtenons : R = D

Pour ce faire, il suffit de regarder dans chaque moment élémentaire le nombre de bits qui sont transmis, ou de déterminer sur la ligne le nombre de valeur ou d’états différents qui existent et d’appliquer la formule suivante :

Rapidité de modulation et Débit binaire :

Exemple :

On considère le signal numérique dont on reléve un échantillon représentatif suivant :

 II – 5. Nature des liaisons de

données

Pour communiquer des informations entre deux points il existe différentes possibilités pour le sens de transmission :

- Liaisons unidirectionnelles, Simplex

- Liaisons bidirectionnelles, Semi-Duplex

- Liaisons bidirectionnelles simultanées, Duplex

Sens de transmission :

La liaison unidirectionnelle ou simplex a toujours lieu dans le même sens Emetteur/Récepteur.

Sens de transmission :

La liaison bidirectionnelles ou à l’alternat ou semi-duplex ou half-duplex permet de faire dialoguer l’émetteur et le récepteur à tour de rôle;

Sens de transmission :

La liaison bidirectionnelle simultanée ou duplex ou full-duplex permet une transmission simultanée dans les deux sens.

Topologie des réseaux :

Nous pouvons dire pour résumer la structure des réseaux de communication qu’il existe deux types de conception :

- Les canaux en mode point à point.

- Les canaux de diffusion.

Les canaux en mode point à point :Ces réseaux contiennent de nombreux câbles ou lignes téléphoniques louées chacun reliant deux nœuds du réseau (ou encore IMP Interface Message Processor).

Si deux nœuds veulent communiquer, ils peuvent le faire par l’intermédiaire d’autres nœuds.

Dans ce cas les messages sont acheminés de nœud en nœud dans leur intégralité.

Si un nœud n’est pas libre, le message est mémorisé puis réexpédiée à la libération du nœud=> Store and Forward (mode différé).

L’interconnexion des nœuds entre eux est un des problèmes les plus important dans la conception des réseaux.

Dans les réseaux locaux du type point à point, on s’attache à réaliser des topologies symétriques, ce qui est en revanche totalement impossible pour des réseaux point à point étendus.

Les canaux en mode point à point :

Les canaux de diffusion :

Ces systèmes ont un seul réseau de communication partagé par toutes les machines composant le réseau.

L’information envoyée par une machine est reçue par toutes les autres.

Une adresse de destination contenue dans le message transmis précise le destinataire.

Dés réception d’un message, chaque machine teste l’adresse de destination et ignore le message si celui-ci ne lui est pas destiné.

Les canaux de diffusion :

III – Multiplexeurs

Lorsque plusieurs circuits de données existent, il est intéressant de concentrer les données transmises sur des voies de basse vitesse (BV) sur un seul circuit de donnée à plus fort débit (HV). Multiplexeurs et concentrateurs réalisent cette opération.

BVBVBV

MUX HV

III – Multiplexeurs

Multiplexage en fréquence : Chaque voie BV conserve sa BP sur la voie HV

BVBVBV

MUX HV

La voie HV doit avoir une capacité suffisante pour absorber toutes les données provenant des voies BV.

III – Multiplexeurs

Multiplexage temporel : Suit le même mécanisme, mais au lieu de diviser la voie HV en fréquences, on découpe le temps en tranches affectées régulièrement à chaque voie.

BVBVBV

MUX HV

L’allocation est réalisé en fonction d’unités de temps entre les différentes transactions.

III – Multiplexeurs

La fonction de multiplexage peut être réalisée sur un réseau par un concentrateur.

IV – Moyens de transmission Les principaux supports utilisés :

métalliques, ondes, fibres optiques.

Support métallique : reposent sur la propriété de conductivité électrique des métaux (cuivre, bronze, …).

• Paire de fils torsadés.

• Câble coaxial : – câble fin (Eternet fin) – gros câble (gros Eternet).

IV – Moyens de transmission Les principaux supports utilisés :

métalliques, ondes, fibres optiques.

Fibre optique : la transmission se fait par propagation d’un rayon lumineux dans une fibre de verre.

IV – Moyens de transmission Les principaux supports utilisés :

métalliques, ondes, fibres optiques.

Hertzienne : Utilise des ondes radio – électriques. La propagation se fait par ligne droite (radio, télé, …) pour permettre des liaisons grandes distance, on utilise des satellites.

• Avantages : liaison grande distance. Pas de câblage.

• Inconvénients : affaiblissement des signaux et le temps de propagation est de 260 ms pour un aller – retour.

V – Transmission de donnée sur une voie

V – 1. Transmission série et parallèle

La transmission de bit peut – être faite de deux manières :• En parallèle : Transmission de plusieurs bits simultanément (bus d’un micro de 8 ou 16 bits). Plusieurs communication simultanément.

• En série : Les bits sont transmis séquentiellement les un après les autres.

V – Transmission de donnée sur une voie

V – 2. Synchronisation a) Transmission asynchrone :

• Les caractères sont transmis de façon irrégulière (clavier, …).

• L’intervalle entre 2 caractères est aléatoire.

• Le début du message peut arriver à n’importe quel moment.

V – Transmission de donnée sur une voie

V – 2. Synchronisation a) Transmission asynchrone :

Mais il faut reconnaître le début et la fin d’un caractère pour permettre la synchronisation bit intra caractère. Ce qui se fait par l’ajout des start – bit et stop – bit.

Les avantages de la transmission asynchrone :

• Simple à mettre en œuvre,

• Peu coûteuse,

• Débit limité.

V – Transmission de donnée sur une voie

V – 2. Synchronisation b) Transmission synchrone

Les bits sont émis de façon régulière sans séparation entre les caractères. Pour cela, émetteur et récepteur possèdent une horloge bit de même fréquence.

VI – Différents modes de transmission

VI – 1. Transmission en bande de base

• Il n’est pas nécessaire de moduler le signal après codage.

• Le signal émis sur la ligne est celui obtenu après le codage.

• L’intérêt de ce codage est son coût peu élevé.

Remarque :

Les signaux bande de base sont sujets à une atténuation dont l’importance dépend du support. Ils doivent être régénérer périodiquement, en utilisant des répéteurs.

VI – Différents modes de transmission

VI – 1. Transmission en bande de base

• Il n’est pas nécessaire de moduler le signal après codage.

• Le signal émis sur la ligne est celui obtenu après le codage.

• L’intérêt de ce codage est son coût peu élevé.

Répéteur : Mémorise une fraction de seconde les signaux avant de le retransmettre sur la ligne sortante.

La Transmission bande de base

La transmission bande de base consiste à émettre sur la ligne des courants qui reflètent les bits du caractère à transmettre.

Dans le cadre de telle transmission, le MODEM (MOdulateur DEModulateur) est réduit à un Codeur dont le rôle est de substituer au signal initial un autre signal similaire mais dont le spectre est mieux adapté à la ligne.Il s'agit en fait, pour résumer, de dire que la transformation qui à lieu est du type NUMERIQUE/NUMERIQUE.

La Transmission bande de basePour illustrer ce propos nous allons étudier quelques transformations particulières avec la suite de bits suivante :

1001011101Dont la représentation sous la forme d'un signal électrique est donnée par la figure suivante :

Cette représentation est faite sous la forme de créneaux unipolaires avec une tension positive +V pour les niveaux logique '1', et une tension nulle 0V pour les niveaux logique '0'.

Le code NRZ :

Les niveaux '0' sont codés par une tension -V,

Les niveaux '1' sont codés par une tension +V

Le code Bipolaire :

Les niveaux '0' sont codés par une tension Nulle (0V),Les niveaux '1' sont codés alternativement par un niveau +V et -V

Le code Bipolaire à haute densité (BHD) :

Le niveau logique à coder pendant un moment élémentaire dépend des états précédents.Le niveau logique '1' provoque un changement de polarité sur le signal,Le niveau logique '0' fait passer le signal alternativement entre la polarité précédente et la valeur nulle (0V).

Le code DELAY MODE :Le niveau logique à coder pendant un moment élémentaire dépend de l'état précédent.

Le niveau logique '1' provoque un changement de polarité sur le signal au milieu du moment élémentaire,

Le niveau logique '0' provoque un changement de polarité sur le signal au début du moment élémentaire si

le niveau logique précédent était un '0' ou laisse le signal constant si le niveau logique précédent était un '1'.

Le code Manchester ou Biphase-L :

Le niveau logique '0' provoque le passage de +V à -V au milieu du moment élémentaire,

Le niveau logique '1' provoque le passage de -V à +V au milieu du moment élémentaire.

Le code Biphase M :

Le niveau logique '0' laisse le signal électrique constant pendant le moment élémentaire de manière alternative,

Le niveau logique '1' provoque le passage de +V à -V au milieu du moment élémentaire.

Le code bipolaire RZ :

Le niveau logique '0' laisse le signal électrique constant à 0 V pendant le moment élémentaire, Le niveau logique '1' fait passer la tension de 0 vers un pôle positif ou négatif pendant un court instant dans le moment élémentaire et ceci de manière alternative.

Le code Manchester différentiel :

Le niveau logique '0' du moment élémentaire t recopie le signal du moment élémentaire t-1.

Le niveau logique '1' du moment élémentaire t inverse le le signal du moment élémentaire t-1.

Le spectre du signal :

Il existe ainsi une multitude de signaux en bande de base autres que ceux présentés ci-dessus (Biphase S-1, Biphase S-2, MPDC, DM/A, DM/BR, BI-DI, etc...).

Leur différence se voit essentiellement lorsque l’on étudie leur répartition de puissance en fonction de la fréquence (spectre de puissance obtenue avec la décomposition en série de Fourier).

La MODULATION Le principal problème de la transmission en bande de base est la dégradation très rapide des signaux avec la distance.

Si le signal n'est pas régénéré très souvent, il prend une forme quelconque, et récepteur sera incapable de comprendre.

Cette méthode de transmission ne peut-être utilisée que sur de très courte distance (moins de 5 Km).

Au delà, on utilise un signal de type sinusoïdal.

Ce type de signal, même affaibli, pourra être décodé par le récepteur.

Le MODEM

Il prend un signal en bande de base et va le moduler, c'est à dire le mettre sous une forme analogique particulière.

Cette transformation est du type NUMERIQUE/ANALOGIQUE et permet d’éliminer un certain nombre de dégradations qui sont occasionnées par la distance parcourue par le signal dans le câble.

Le signal de modulation est de forme sinusoïdale et les différents types de modulation sont obtenues en agissant sur les différents paramètres de l’équation suivante :

v(t) = V sin (t + )

VI – 2. Transmission large bande

Pour transmettre la transmission longue distance, on module une onde porteuse sinusoïdale.

Mathématiquement, elle est de la forme :

s(t) = A . sin(.t + )

ou s(t) = A . sin(2f.t + )

A : Amplitude

f : Fréquence : Pulsation

: Phase initiale

VI – 2. Transmission large bande

Modulation d’amplitude : Le signal est modulé en faisant varier l’amplitude.

s(t) = V(t) . sin(.t + )

Les types de modulation :

Cette modulation est obtenue en jouant sur la valeur de V, en donnant une valeur Vl pour un niveau logique '0' et en donnant une valeur Vh pour un niveau logique '1'.

VI – 2. Transmission large bande

Modulation de phase :

s(t) = V . sin(2f.t + (t))

Les types de modulation :

Cette modulation est obtenue en jouant sur la valeur de , en donnant une valeur 0 pour un niveau logique '0' et en donnant une valeur 1 pour un niveau logique '1'.

VI – 2. Transmission large bande

Modulation de fréquence :

s(t) = V . sin(2f.t + (t))

Les types de modulation :

Cette modulation est obtenue en jouant sur la valeur de , en donnant une valeur 0 pour un niveau logique '0' et en donnant une valeur w1 pour un niveau logique '1'.

VI – 2. Transmission large bande

Dans les 3 modulations précédentes, on code 1 bit donc, on cherche deux signaux différents pour coder les 2 possibilités (0 ou 1).

Si on arrive au départ et à l'arrivée à coder et à décoder plus d'un bit à la fois on peut envisager de coder plusieurs bits par moment élémentaire en trouvant 2^n signaux différents.

Exemple : modulation de phase à 4 moments (codage de 2 bits avec les combinaisons 00, 01, 10, 11).

VI – 2. Transmission large bande

On peut également combiner différents types de modulation pour coder plusieurs bits par moments élémentaires.

Exemple : Modulation d'amplitude et de phase à 8 moments (codage de 3 bits).

VI – 2. Transmission large bande

 Représentation du diagramme spatiale

VII – Les modems

VII – 1. Le modem émetteur

Codeur :NRZ

Biphase…

Modulateur :Phase, Amplitude

Fréquence

Bande de Base

Signal carré

Large bande

DonnéesSuite de bit

Signal sinusoïdale

Envoyersur laligne

Remarque :

Dans la transformation en bande de base, l’appareil transforment les données .

Il ne fais pas de modulation. Dans ce cas, on l’appelle plutôt “transceiver” ou transmetteur.

VII – Les modems

VII – 2. Le modem récepteur

Démodulateur DécodeurSignal Suite de Bite

10011101

VII – Les modems VII – 3. Normalisation des modems Les modems et les interfaces sont normalisés ce qui assure une bonne compatibilité entre les équipements.

Le classement des modems se fait en fonction des critères suivants:

• Technique de transmission : bande de base, large bande.

• Debits : 300 bit/s, 600 bit/s, …, 1200 bit/s. • Support de transmission : réseau commuté, ligne spécialisé, ligne semi-duplex et duplex.

• Méthode de synchronisation : asynchrone, synchrone. • Format de l’appareil : Boîtier indépendant, carte à insérer dans un ordinateur.

VII – Les modems  VII – 4. Jonction modem – Terminal (ETTD – ETCD)

Pour accéder à un circuit de donnée, il faut réaliser les étapes suivantes :

• Transmission des données.

• Établissement du circuit (si la ligne n’est pas affectée en permanence).

• Initialisation (adapter le modem à la ligne).

• Libération de circuit.

ETTD ETCD

JonctionInterface

VII – Les modems  VII – 4. Jonction modem – Terminal (ETTD – ETCD)

Avis V24 Cette interface définit la séquence logique des opérations effectuées à la jonction ETTD – ETCD en décomposant celle – ci en autant de fils, de fonction d’échanges à réaliser. Les différents circuits sont numérotés.

• 102 => Masse

• 103 => Emission de donnée

• 104 => Réception

• 105 => Demande pour émettre

• 106 => Prêt à émettre

• 108 => Réception prêt

VII – Les modems  VII – 4. Jonction modem – Terminal (ETTD – ETCD)

Avis V24         Application

Connexion de deux PC sans modem. On veut donc réaliser une connexion directe ETTD – ETTD.

•V24 croisé

•Null Modems 102103104

102103104

PC1 (V24) PC2 (V24)

VIII – Le réseau téléphonique pour la transmission de donnée

VIII – 1. Utilisation du réseau commuté

Le réseau commuté peut transmettre des données mais à un débit de 4500 bit/s.

Le réseau est accédé depuis l’ETTD via un modem normalisé pour respecter les caractéristiques du réseau.

Intérêt : Atteindre des correspondants situés n’importe où. Le coût de communication est environ égale au coût de la communication téléphonique.

VIII – Le réseau téléphonique pour la transmission de donnée

VIII – 2. Le RNIS

Réseau Numérique à Intégration de Service.

Le RNIS se caractérise par la distribution jusque chez l’abonner des canaux déjà présent dans le réseau actuel.

L’usager a accès non seulement au réseau téléphonique, mais à un réseau de transmission apte à véhiculer le son, l’image et les données.

VIII – Le réseau téléphonique pour la transmission de donnée

VIII – 2. Le RNIS

Principe du RNIS : Accès de base de 144 Kbits et comporte 2 voies de 64 Kbits et 1 voie de 16 Kbits.

Les canaux B permettent de téléphoner tout en envoyant un fichier. Les canaux sont réservés aux transferts liés aux informations de service.

 Remarque : Pour accéder aux réseaux numériques, il faut une interface standard de type X21. Pour ne pas jeter les micros munis uniquement de V24, on passe par un convertisseur X21 bis.