QCM réalisé avec le logiciel Questy Pour s'auto-évaluer QCM sous forme de tableau 1 QCM sous forme de tableau 2

Exercices : énoncé avec correction a)- Exercice 11 page 553 : Évaluer l’affaiblissement d’un signal. b)- Exercice 11 page 554 : Calculer un débit binaire. c)- Exercice 18 page 554 : Connaître le principe de la lecture des disques réinscriptible. d)- Exercice 20 page 554 : à chacun son rythme. e)- Exercice 21 page 555 : Principe de la lecture optique. f)- Exercice 26 page 556 : Stockage sur un DVD.

I- Les procédés physiques de transmission d’informations.

1)- La propagation libre.

a)- Les ondes électromagnétiques.

-  Les ondes électromagnétiques émises par des antennes se propagent dans toutes les directions de l’espace.

-  C’est la propagation libre.

-  Ces ondes appelées onde hertziennes peuvent être reçues par des récepteurs mobiles.

-  Une bande de fréquences spécifiques est allouée à chaque dispositif.

-  Les possibilités d’utilisation des bandes de fréquences hertziennes étant arrivées à saturation, la France est passée à la télévision numérique terrestre (TNT) en 2011.

-  La TNT utilise des bandes de fréquences plus étroites.

b)- La modulation.

-  Les ondes hertziennes se propagent à grandes distances si leurs fréquences sont élevées (de l’ordre du MHz).

-  Les fréquences que l’on peut transmettre (paroles, musique, …) sont de l’ordre du kHz (de 20 Hz à 20 kHz).

-  Par conséquent, on ne peut transmettre ces informations par des ondes hertziennes sur de grandes distances.

-  D’autre part, si on utilisait ces fréquences, il serait impossible pour un récepteur de distinguer les différentes émissions.

-  Il y aurait brouillage de l’information.

-  La transmission des informations basses fréquences par voie hertzienne nécessite l’utilisation d’une onde de haute fréquence appelée : onde porteuse.

-  Les informations à transmettre sont converties en signaux électriques qui modulent une grandeur caractéristique de l’onde porteuse :

-  Soit l’amplitude : on parle alors de modulation d’amplitude (A.M)

-  Soit la fréquence : modulation de fréquence (F.M).

-  À chaque émetteur est attribuée une valeur particulière de la fréquence de la porteuse.

-  Un émetteur peut ainsi distinguer les différentes émissions.

 Modulation d’amplitude : Modulation d'amplitude

Le principe.

-  La modulation est obtenue par la combinaison de deux ondes :

-  La porteuse :

-  Onde sinusoïdale de haute fréquence F en Hz,

-  D’amplitude constante V_m

-  Produite par un oscillateur émetteur : v = V_m cos (Ω t) = V_m cos (2 π F t) avec Ω pulsation en rad / s

-  L’onde à transmettre :

-  Elle est liée à l’information,

-  Elle n’est pas forcément sinusoïdale,

-  Elle peut dans un intervalle donné se ramener à la somme de fonctions sinusoïdales.

-  u = U_m cos (ω t) = U_m cos (2 π f t) avec ω pulsation en rad / s

-  Remarque : tout phénomène périodique peut être décomposé en série de Fourier :

-  u = U_m1 cos (ω t) + U_m2 cos (2 ω t) + U_m3 cos (3 ω t) + U_m4 cos (4 ω t

 Obtention.

-  Dans le cas d’une modulation d’amplitude (A.M), on ajoute la tension continue U₀ (tension de décalage) à la tension u (t), puis on utilise un circuit électronique appelé multiplieur afin d’obtenir la tension modulée s(t).

-  Schéma du dispositif :

-  On pose :

-  Exemple :

-  Enveloppe de la tension modulée :

-  La tension modulée évolue entre A.(1 + m) et A.(1 – m).

-  Spectre de fréquence d’une modulation d’amplitude :

-  On développe l’expression (1) :

- 

-  Si F désigne la fréquence de la porteuse, alors :

-  Spectre de fréquence :

 

2)- La propagation guidée.

a)- Transmission par câble électrique.

-  Les câbles électriques sont utilisés pour transmettre les informations sous forme de signaux électriques.

-  La transmission par câbles est privilégiée pour les courtes distances.

-  Les inconvénients de ce type de câble :

-  L’amortissement des signaux augmente avec la longueur du câble.

-  Les champs électromagnétiques environnant les câbles déforment les signaux qui se propagent dans ces mêmes câbles.

b)-Transmission par fibre optique.

-  Les informations sont transmises dans les fibres optiques sous forme d’ondes électromagnétiques visibles ou proches du visible, IR.

-  Les ondes électromagnétiques se propagent dans la fibre optique par le phénomène de réflexion totale.

 

 

-  Dans une fibre optique, la lumière reste canalisée à l’intérieur de la fibre grâce à la réflexion totale

-  Fibre optique (animation CabriJava).

-  Avantages :

-  Les radiations se propagent sur de très longues distances avec très peu d’atténuation.

-  Elles sont insensibles aux perturbations électromagnétiques

 Composition d’une fibre optique :

-  Elle se compose de trois parties :

-  La protection en plastique,

-  La gaine,

-  Et le cœur.

 

 

 Les fibres multimodales :

-  Les radiations subissent des réflexions successives dans la fibre.

-  Le trajet parcouru par la radiation est supérieur à la longueur de la fibre.

-  Ainsi des radiations émises simultanément peuvent avoir des trajets (ou modes) différents.

-  Le signal de sortie est dégradé par rapport au signal d’entrée car il s’étale dans le temps.

-  On distingue :

-  Les fibres multimodales à saut d’indice et les fibres multimodales à gradient d’indice :

 Les fibres multimodales à saut d’indice :

-  L’indice de réfraction varie brusquement entre le cœur et la gaine.

-  Elles ne sont plus utilisées aujourd’hui :

-  Schéma :

-  L’étalement du signal dans le temps est important.

 Les fibres multimodales à gradient d’indice :

-  L’indice de réfraction varie progressivement entre le cœur et la gaine.

-  Les fibres multimodales à gradient d’indice sont utilisées sur de courtes distances.

-  Schéma :

-  L’étalement du signal dans le temps est réduit.

 Les fibres monomodales :

-  Les radiations subissent peu de réflexions successives.

-  L’étalement dans le temps du signal de sortie par rapport au signal d’entrée est plus faible que dans le cas de d’une fibre multimodale.

-  Les fibres monomodales sont utilisées sur de longues distances (réseaux sous-marins).

-  Schéma :

3)- Atténuation d’un signal.

-  La puissance lumineuse d’un signal à la sortie d’une fibre optique ou la puissance électrique à la sortie d’un câble est inférieure à la puissance du signal d’entrée.

-  Lors de sa propagation, tout signal est atténué.

-  La puissance de sortie P_s du signal est toujours inférieure à la puissance d’entrée P_e du signal.

-  L’atténuation A (ou affaiblissement) du signal est donnée par la relation :

-   

-  L’atténuation A s’exprime en décibel (dB).

-  L’atténuation A d’un signal, le long d’un câble ou d’une fibre optique, dépend notamment de la longueur L du câble ou de la fibre optique.

-  Le coefficient α atténuation linéique est défini par :

-   

-  Le coefficient α d’atténuation linéique s’exprime en dB . m^–1.

 Exemples :

-  Cas des télécommunications à longue distance par fibre optique :

-  La longueur d’onde de la radiation λ = 1,55 μm.

-  Le coefficient atténuation linéique α = 2,0 x 10^–4 dB . m^–1.

-  Câble coaxial pour l’installation des antennes satellites :

-  Le coefficient atténuation linéique α = 0,2 dB . m^–1.

4)- Débit binaire de données numériques :

-  Il mesure la quantité de données numériques transmises par unité de temps.

-  Si l’information comporte n bits pendant une durée Δt, le débit binaire D est défini par la relation suivante :

-   

-  Le débit binaire s’exprime en bit par seconde : bit . s^–1.

-  La durée Δt s’exprime en seconde s.

II- Stockage et lecture des données sur un disque optique.

1)- Lecture d’un disque gravé industriellement.

 Lumière et Couleurs (mettre l’énoncé du sujet bac sur CD)

sciencesphysiques04.esy.es/fichiers/facteurs_qualite_image.pdf

-  Sur les CD, DVD et BD (Blu-ray) gravés industriellement, les données sont codées sous forme d’une succession de creux (pits) et de plats (lands) disposés en spirale à partir du centre du disque.

 

-  Le principe du lecteur compact disque : Figure 1

 

-  La lumière émise par la diode laser est transformée en une onde plane grâce à la lentille L₁.

-  Le faisceau de lumière parallèle ainsi produit est partiellement réfléchi par le cube séparateur (coefficient de transmission = coefficient de réflexion = 50 %).

-  La lentille L₂ permet de focaliser le faisceau sur le disque optique (Voir III-1)- b)-).

-  La lumière réfléchie repasse par L₂, traverse le cube séparateur pour être focalisée par la lentille L₃ sur le détecteur.

-  La méthode utilisée permet de coder l’information par modulation du coefficient de réflexion.

-  Le disque est composé d’une surface réfléchissante sur laquelle sont aménagées des cavités de matériau transparent homogène d’épaisseur e et d’indice de réfraction n (Figure 2).

 

 

-  À la lecture, le disque tourne devant le système comprenant une diode laser et une photodiode servant de capteur (détecteur).

-  L’information correspondant à 1 bit occupe 0,278 μm sur le CD.

-  À intervalles de temps égaux, correspondant à un déplacement du faisceau laser de 0,278 μm sur le CD, le système de lecture mesure l’intensité du faisceau lumineux réfléchie par le disque et restitue le codage binaire associé.

2)- Phénomène d’interférences. Interférences

-  C’est la réflexion de la lumière laser sur les creux et les plats qui permet de transcrire les données binaires.

-  Lorsque le faisceau laser est réfléchi par un plat et la surface du disque, l’intensité lumineuse reçue par le capteur est maximale.

-  Lorsque le faisceau atteint un creux, une partie est réfléchie par le creux et une partie est réfléchie par la surface du disque.

-  La fraction du faisceau réfléchie par le creux parcourt une distance supérieure à la distance parcourue par celle réfléchie par la surface du disque.

-  L’écart entre les deux trajets correspond exactement à la moitié de la longueur d’onde de la radiation laser.

-  Il s’établit au niveau du capteur des interférences destructives entre la fraction de faisceau réfléchie sur la surface du disque et celle réfléchie par le creux.

-  L’intensité de la lumière réfléchie est alors plus faible que si toute la réflexion se faisait sur un plat du disque.

-  Schéma : Figure 3

 

-  Différence des distances parcourues par les rayons de type 1 et 2.

-  Distance parcourue par les rayons de type1 : e₁ = 2 e’.

-  Distance parcourue par les rayons de type2 : e₂ = 2 e’ + 2 e.

-  Différence de distance : d = : e₂ – e₁ = 2 e

-  Différence de marche : δ = 2 n . e

-  δ est appelé différence de chemin optique dans le matériau d’indice n.

-  La longueur d’onde dans le vide de la radiation laser est λ₀ = 780 nm.

-  Les creux et les plats sont protégés par une couche protectrice de polycarbonate d’indice de réfraction n = 1,55 pour la radiation considérée.

-  Longueur d’onde du rayonnement dans le milieu d’indice n.

-   

-  On tire que la valeur de la longueur d’onde de la radiation laser dans le polycarbonate :

-   

 Interférences constructives :

_-  δ = k . λ₀

-  δ = 2 n . e = k . λ₀

-  Les deux ondes arrivent en phase et elles ajoutent leurs effets.

 Interférences destructives :

-   

-  Les deux ondes arrivent en opposition de phase et elles annulent leurs effets.

-  Valeur de la profondeur e d’un creux pour obtenir une interférence destructive :

-  La plus petite valeur de k est k = 0,

-  et δ = 2 n . e

-  On tire :

-   

III- Stockage optique.

1)- Capacité de stockage des différents disques optiques.

a)- Les disques optiques du commerce.

 

-  Les disques Blu-ray (BD) concurrencent les disques CD et DVD car leur capacité de stockage est plus importante.

-  Schématisation de la surface de trois types de disques optiques.

 

b)- Augmentation de la capacité de stockage : Diffraction.

-  Schéma du dispositif :

 

-  D est le diamètre du faisceau laser.

-  d est le diamètre du spot sur le disque,

-  f est la distance focale de la lentille convergente,

-  α est l'angle du cône lumineux émergent de la lentille.

-  Le diamètre d du spot du faisceau laser dépend de la longueur d’onde λ de la radiation et de l’ouverture numérique (NA) qui dépend de l’émetteur laser.

 L’ouverture numérique :

-  L’ouverture numérique (NA : Numerical Aperture) est définie par la relation suivante :

- 

 Le diamètre du spot laser

-  Du fait du phénomène de diffraction, le spot du laser ne sera pas ponctuel mais aura la forme d'un disque de diamètre d.

-  Le diamètre d du spot laser sur le disque optique est proportionnel à la longueur d’onde λ de la radiation et inversement proportionnel à l’ouverture numérique, NA, qui dépend de l’émetteur laser.

-   

Chap. N° 03 Propriétés des ondes. Exercices. Tache d'Airy  Chap. N° 03 Propriétés des ondes. Cours

 Augmentation de la densité de données sur un disque :

-  Pour augmenter la capacité de stockage, il faut allonger la longueur de la piste.

-  Cela revient à resserrer la spirale si l’on veut garder la même taille du disque.

-  Il faut diminuer la largeur des creux et des plats.

-  Pour une lecture correcte, le spot du faisceau laser doit être le plus étroit possible pour ne pas intercepter deux lignes contigües de creux et de plats.

-  La diminution de la longueur d’onde λ de la radiation et l’augmentation de l’ouverture numérique NA de l’émetteur laser permettent de diminuer le diamètre d du spot laser.

-  Mais, le phénomène de diffraction impose, pour une radiation de longueur d’onde λ donnée, un diamètre minimal d du faisceau.

-  La capacité de stockage des disques optiques est donc limitée.

-  On peut calculer le diamètre d du spot du faisceau laser correspondant à chaque format.

 Remarque :

-  Exemple cas du CD :

-  L’écartement des lignes est e = 1,6 μm et le diamètre du spot laser est d = 2,1 μm

-  Bien que e < d, le faisceau laser étant centré sur une ligne, il n’éclaire pas les autres lignes situées à côté.

-  Schéma de la situation :

 

-  Dans cette situation, le faisceau n’éclaire qu’une ligne à la fois.

IV- Applications.

1)- Les CD, DVD et BD au banc d’essai : exercice 23 page 555 (énoncé et correction).

 

 

7)- QCM :

QCM réalisé avec le logiciel Questy Pour s'auto-évaluer QCM sous forme de tableau 1 QCM sous forme de tableau 2

8)- Exercices :  Exercices : énoncé avec correction

a)-  Exercice 11 page 553 : Évaluer l’affaiblissement d’un signal.

b)-  Exercice 13 page 554 : Calculer un débit binaire.

c)-  Exercice 18 page 554 : Connaître le principe de la lecture des disques réinscriptible.

d)-  Exercice 20 page 554 : à chacun son rythme.

e)-  Exercice 21 page 555 : Principe de la lecture optique.

f)-  Exercice 26 page 556 : Stockage sur un DVD.