techniques de transmission de l'information

Généralités

Identifier une information grâce à un ou plusieurs capteurs, en extraire le sens via un module d'acquisition / traitement des données implique le plus souvent le stockage de cette information et/ou son utilisation immédiate et/ou différée sur un site plus ou moins proche. On devra donc transmettre cette information.

Dans d'autres chapitres nous avons déjà succinctement abordé ce problème, mais nous n'avons pas détaillé les procédés permettant de transmettre une information à distance et tout particulièrement sur de longues distances. Dans ce cas on peut grossièrement dire qu'il existe deux grandes familles de procédés : ceux utilisant une liaison filaire (métallique ou optique) et ceux sans fil (radio ou téléphone type GSM). Ce sont ces deux approches dont nous allons examiner les grands principes et donner quelques éléments qu'un concepteur d'instrumentation ne doit plus ignorer au début du 21ème siècle.

La première notion à prendre en compte est qu'une information ne peut être transmise n'importe comment, d'une part, elle doit respecter un certain protocole afin que le ou les destinataires puissent la comprendre et, d'autre part, le processus physique de transmission impliquera une mise en forme c'est à dire un codage réalisé via des moyens technologiques appropriés.

Nous allons donc examiner dans un premier temps les grands principes du codage, et du décodage, exploités pour transmettre une information et dans une seconde partie nous examinerons les notions de protocole à respecter en prenant plus particulièrement l'exemple du réseau type intranet/internet.

Précisons une fois encore qu'il ne s'agit que d'une introduction à ce domaine destinée au lecteur instrumentaliste et non au spécialiste des réseaux ou des télécomms.

codage et décodage

En pratique on distingue deux procédés principaux de transmission qui induiront deux familles de codage dépendant essentiellement du type de signal à transmettre. Historiquement les signaux étaient toujours de type analogiques et transmis via des procédés analogiques. Aujourd'hui la miniaturisation des outils de numérisation conduit le plus souvent à transmettre des informations de type numérique pour lesquelles on trouvera des procédés bien évidemment de type numérique, mais parfois aussi analogiques car ils ont des avantages indiscutables. En outre il est tout à fait possible d'avoir entre l'émetteur de données et le récepteur une liaison comportant successivement divers procédés mélant numérique et analogique ainsi que le montre le schéma ci-dessous.

Fig. transmission de données entre mobile et poste fixe
via GSM/liaison numérique/liaison analogique par modem

La transmission radio (GSM) s'effectue via des ondes électromagnétiques et nécessite un codage analogique, il en est de même au niveau du modem connecté sur une ligne téléphonique ordinaire (RTC), par contre entre la base de la cellule GSM et le central téléphonique la liaison s'effectue par une ligne fixe de type numérique (RNIS).Cela implique la conversion du format des données venant du GSM vers celui du réseau téléphonique normal via le système IWF (interwork function).

Nous allons donc nous intéresser à cette chaîne de transmission de données et examiner à la fois les éléments hardware et les protocoles de communication qui garantissent le transfert correct des données du mobile vers le poste fixe.

chaîne de transmission GSM

Pour transmettre l'information entre le téléphone mobile et le relais GSM on va devoir recourir aux techniques de modulation. C'est à dire que l'information va modifier via un processus de modulation un signal HF (ici à 900MHz) qui sera ce qu'on appelle la porteuse. La modulation d'une façon générale jouera soit sur l'amplitude, soit sur la fréquence de la porteuse. Ainsi l'émetteur va comporter les éléments suivants:

un oscillateur qui génère la porteuse

un circuit de traitement du signal à transmettre destiné à le mettre sous une forme adéquate

un modulateur qui va combiner ce signal avec la porteuse

un amplificateur de puissance qui va porter le signal modulé à une puissance suffisante pour l'émission

une antenne qui reçoit ce signal et transforme le courant en ondes électromagnétiques qui vont se propager dans l'espace et atteindre en particulier le relais le plus proche.

Inversement le relais récepteur comportera:

une antenne transformant les ondes électromagnétiques en signaux électriques

un circuit sélectif de détection permettant d'extraire parmi tout ce que reçoit l'antenne le signal utile

un amplificateur dit radiofréquence destiné a augmenter le niveau de telle sorte qu'on puisse ultérieurement facilement extraire le signal modulant de sa porteuse.

un démodulateur chargé de cette opération d'extraction

enfin un amplificateur audio.

Nous allons donc examiner les divers éléments de la chaîne d'émission puis de la chaîne de réception, à savoir les oscillateurs, modulateurs et démodulateurs ainsi que les amplificateurs haute fréquence et les antennes.

Amplification HF

le transistor en fréquence élevée : cas du montage émetteur commun

Le transistor en tant que composant électronique, et les caractéristiques de base d'un amplificateur BF à transistor sont examinées dans la section transistor. Nous allons en rappeler les résultats et mettre en évidence les éléments supplémentaires à prendre en compte dès lors que la fréquence devient importante.

dispositif examiné

Rappelons le schéma du montage examiné

et les principaux résultats dès lors que la fréquence est suffisamment faible et les signaux de faible amplitude. Le schéma équivalent dynamique est visualisé ci-dessous

et le gain en tension s'exprime par

schéma équivalent pour la haute fréquence

Dans ce cas les condensateurs se comportent comme des courts-circuits et il faut maintenant modifier le schéma équivalent du transistor:

côté entrée

r_bb' dite résistance de liaison d'environ une centaine d'ohms
et r_b'e = 30/I_B résistance dynamique de la jonction
dans la base apparait une charge stockée Qs = I_B dont les variations ne peuvent être instantanées ce qui va perturber le fonctionnement du transistor en HF or avec V_T environ 30 mV

capacité dynamique

_b'e

Le générateur de courant h₂₁i_b traduit les variations du courant collecteur en fonction des variations i_b, mais en HF la charge stockée gène la transmission immédiate de l'information i_b vers le collecteur. Cependant on sait que i_C est proportionnel au gradient de concentration des porteurs au voisinage du collecteur donc comme i_b il est proportionnel à cette charge stockée, elle même liée à v_b'e ce qu'on exprime par i_c = g_m v_b'e.

La résistance en parallèle qui traduit la pente de la caractéristique I_C/ V_CE sera notée r_ce ce qui conduit à

De plus la jonction base collecteur est polarisée en inverse. On doit donc caractériser la capacité due à la charge d'espace dans la zone de transition quasi dépourvue de porteurs mobiles. C_b'c est de l'ordre de 3pF et varie comme (v_b'c)^-1/2
Cette zone de transition a une certaine largeur, fonction de v_b'c ce qui modifie la largeur de la base effective faiblement dopée et se traduit donc par une variation de charge stockée, d'où une variation de i_b que l'on va traduire par une résistance r_b'c de l'ordre de plusieurs M dans le schéma équivalent qui devient in fine celui-ci :

Fig. schéma équivalent du transistor dit de Giacoletto

Précisons qu'aux fréquences basses les paramètres de Giacoletto s'identifient facilement via les paramètres hybrides du transistor.

réponse en HF

On va d'abord simplifier le schéma en admettant que rce est grande vis à vis de R_c. Ensuite on va se limiter, dans un premier temps, à des fréquences de l'ordre de 100 MHz dans ce cas | Z_b'c| est >> à R_c et 1/g_m ce qui implique que le courant i (ou I) est négligeable devant g_mv_b'e ce qu'on montre aisément

avec

d'où

et la simplification

d'où le schéma simplifié

avec

dans lequel on néglige R_B généralement grande vis à vis de r_bb' + r_b'e

On en déduit la fonction de transfert

que l'on peut décomposer en un produit de To la fonction de transfert à basse fréquence multipliée par un terme mettant en évidence une fréquence de coupure

₃. soit

avec

d'où le diagramme de Bode correspondant

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