Cours de transmission des informations par ondes électromagnétiques pour les étudiants au terminale.
Table des matières
Historique
L’homme tentait depuis longtemps à transmettre des informations, d’un lieu à un autre le plus rapidement possible.
Actuellement Les informations sont transmises à distance, par des ondes électromagnétiques soit de type hertzienne (radio, télévision, téléphone portable, Internet…..) ou lumineuse (fibre optique).
Donc les ondes électromagnétiques ont un intérêt très important à transporter à grande distance un signal contenant l’information, avec transport d’énergie et sans transport de matière .
Grace aux efforts des savants :
JAMES MAXWELL (1831-1879) théorie sur le caractère ondulatoire de la lumière et celles de magnétisme.
HENRICH HERTZ son réussit à produire des ondes ectromagnétiques
GUGLIEMO MARCONI dépose le premier brevet d’un appareil permettant de communiquer sans lien matériel 1909.
C’est le début des transmissions d’un signal électrique sans support de matière.
Lire Aussi : Cours Physique
I. Transmission d’information
Les ondes qui se propagent dans l’air, le vide et dans les milieux matériels « fibres optiques ,les câbles en cuivre) constituent un moyen de communication efficace de transporter les informations sur des distances importantes,
Les ondes électromagnétiques, sont des supports de l’information à transmettre les mieux adaptées.
Transport d’un signal sonore au moyen d’une fibre optique
On crée un signal sonore ( musique, parole,…) devant un microphone , on écoute le son à l’aide d’un haut parleur .
On remplace le microphone par un générateur de basse fréquence GBF,
On le règle sur une tension sinusoïdale de fréquence audible.
A l’aide d’un oscilloscope, on visualise les deux signales :
- celui transmis par GBF
- celui capté par le haut parleur .
Explication
Le signale sonore (information) capté par le microphone qui le convertit en un signal électrique. (Tension électrique), transmit via câble (fibre optique) vers le haut parleur qui reçoit le signal électrique et le transforme en un signal sonore.
Le rôle de fibre optique
Il agit comme un guide d’onde, à transmettre la lumière contenant l’information entre les deux extrémités de la fibre.
Le faisceau lumineux qui porte le signal électrique contenant le message se propage à l’intérieur de la fibre optique.
On dit que le faisceau lumineux est une onde porteuse du signal électrique
La porteuse est une onde modifiée par le signal électrique (informations) qu’on souhaite transmettre. On dit qu’elle est modulée et le signal transmis est un signal modulant.
La porteuse est modulée par un signal modulant Cette opération s’appelle la modulation.
Définitions importantes
L’onde porteuse :
Onde sinusoïdale de haute fréquence compris entre 100kHz et 10GHz ,
Vitesse de propagation environ égale à celle de la lumière dans le vide .
L’onde porteuse peut être soit une onde lumineuse ou une onde hertzienne
Le signal modulant :
Signal électrique « une information » qu’on veut le transmettre :
basse fréquence de 20Hz à 20kHz .
La modulation :
Faire varier les caractéristiques de l’onde porteuse (amplitude, fréquence, phase) en fonction du signal à transmettre.
II. Ondes électromagnétique
Emission et réception d’une onde électromagnétique
On réalise le montage expérimental ci- contre :
On connecte un fil électrique E de longueur 1 m à un GBF délivrant une tension sinusoïdale
de fréquence f = 150 kHz et à l’entrée de l’oscilloscope sur la voie YA
On relie un fil électrique R à un oscilloscope sur la voie YB
Les fils E et R sont de même longueurs (L = 1m)
Quelle est la forme du signal reçu sur la voie YB?
Quel est le rôle de chaque fil électrique E et R ?
Observation et interprétation
- On observe un signal sinusoïdal de même fréquence que le signal émis par le GBF
- Le fil électrique E est un antenne émetteur de signal .
- le fil électrique R est un antenne récepteur de signal .
- le GBF crée des oscillations électriques dans le fil E; produisant une onde électromagnétique de même forme et de même fréquence que les oscillations.
Lorsqu’on compare l’amplitude et fréquence des deux signaux visualisées sur l’oscilloscope on observe qu’ils ont les mêmes amplitudes et mêmes fréquences.
Conclusion
L’onde électromagnétique se propage dans tout l’espace puis captée par l’antenne réceptrice en créant un signal électrique de même forme et de même fréquence que celui émis par l’antenne émettrice.
Les caractéristiques des ondes électromagnétiques
Les ondes électromagnétiques sont caractérisées par :
- Une fréquence f en Hz donc une période T (en s) f=1/T
- Une célérité ou vitesse de propagation en « m/s » dans le vide et dans
l’air égale à la célérité de la lumière soit c = 3x108 m/s
- La célérité des ondes électromagnétiques dans les milieux
transparents (comme les fibres optiques) est de l’ordre de 3x108 m/s
- Une longueur d’onde dans le vide λ « en m » c’est la distance parcourue par l’onde durant une période temporelle T. On a la relation suivante :
- Les ondes électromagnétiques sont classées par fréquence ou longueur d’onde dans le vide.
III. Modulation d’une tension sinusoïdale
La nécessité de la modulation
On veut transmettre des informations (voix, musique, images, données, etc.) sur de grandes distances. Ces signaux ont une basse fréquence (< 20 kHz), en fait ces signaux ne peuvent pas être transmis directement pour plusieurs raisons :
Fort amortissement des ondes de basses fréquences ;
Impossibilité de séparer les différentes émissions par les récepteurs
Longueur de l’antenne réceptrice pour une onde de longueur d’onde λ doit être de l’ordre de L= λ/2 à λ/4
Pour une onde la fréquence =1kHz il faudrait une antenne de longueur : L= λ/2 = 150 km.
Cette solution est irréalisable
Donc la solution :
C’est de transmettre le signal dans une plage de haute fréquence,
Cela nécessite l’utilisation d’une onde porteuse de haute fréquence qui porte le signal de basse fréquence sous forme d’une onde modulante.
Conclusion :
Les ondes radios ne peuvent pas être transmises sans une modulation
On peut transmettre un signal de basse fréquence en modulant une onde porteuse de Haute Fréquence.
Modulation d’une tension sinusoïdale
La porteuse (signal haute fréquence) est une tension alternative sinusoïdale d’expression :
u(t) = Um cos (2πft + φ0)
Um : correspond à l’amplitude
f : correspond à la fréquence
φ0 : correspond à la phase à l’origine des dates t=0
La modulation consiste à faire varier l’un de ces trois paramètres :
L’amplitude Um la fréquence f et φ0
1) Modulation d’amplitude
L’amplitude Um de l’onde porteuse est modifiée par le signal modulant (la fréquence de l’onde porteuse f et φ0 sont des constantes).
L’expression de la tension modulée en amplitude est :
us(t) = Um(t) cos(2πft + φ0) φ et f reste constants .
2) Modulation de fréquence
Si le signal modulant fait varier la fréquence f de la porteuse, on a une modulation de fréquence,
L’expression de la tension modulé en fréquence est :
us(t) = Um(t) cos(2π f(t) t + φ0) φ et Um reste constants .
