Transmission des Informations par Ondes électromagnétiques

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Cours de transmission des informations par ondes électromagnétiques pour les étudiants au terminale.

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

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 :

  1. celui transmis par GBF
  2.  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 :

onde électromagnétique

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 caractéristiques des ondes électromagnétiques

Les ondes  électromagnétiques sont caractérisées par :

  • Une fréquence 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 = 3x10m/s  

  • La célérité des ondes électromagnétiques dans les milieux

            transparents (comme les fibres optiques) est de l’ordre de 3x10m/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 :
longeur d'onde dans le vide

  • Les ondes électromagnétiques sont classées par fréquence ou longueur d’onde dans le vide.
fréquence et longueur d'onde

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.

modulateur

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(tcos(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 .

tension modulé en fréquence

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