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Signaux : transmettre une information
Signaux sonores, lumineux, électriques et radio, et les convertisseurs qui changent leur nature ; délai de propagation dans une fibre, un câble ou par satellite ; signal analogique ou numérique ; coder avec des bits (2ⁿ combinaisons, numérisation) ; débit d’une transmission en bit/s
À propos de cette page
Émetteur, canal, récepteur : les signaux changent de nature
Un bébé pleure dans sa chambre ; dans le salon, ses parents l’entendent grâce au babyphone. Entre les deux, son cri a changé plusieurs fois de forme. En 6ᵉ, tu as vu qu’un signal transporte une information d’un émetteur à un récepteur en suivant un canal : voir « Signaux et information » ; en technologie de 5ᵉ, tu as vu les liaisons d’un réseau (câble, fibre optique, Wi-Fi) : voir « Réseau local : composants et topologie ». En 4ᵉ, on regarde de plus près la nature des signaux et les appareils qui la changent.
• Une onde radio est une onde électromagnétique, comme la lumière : elle est invisible, elle traverse le vide et la plupart des murs. Wi-Fi, Bluetooth, téléphone portable, radio et télévision par antenne utilisent des ondes radio.
• Des convertisseurs changent la nature du signal : le micro (sonore → électrique), le haut-parleur (électrique → sonore), la DEL ou le laser (électrique → lumineux), la photodiode (lumineux → électrique), l’antenne (électrique → radio à l’émission, radio → électrique à la réception).
• Sur une longue distance, le signal traverse souvent plusieurs canaux à la suite (air, câble, fibre optique) et change de nature à chaque convertisseur ; l’information, elle, reste la même.
Les convertisseurs à connaître
| Convertisseur | il reçoit un signal… | il produit un signal… |
|---|---|---|
| micro | sonore | électrique |
| haut-parleur, écouteur | électrique | sonore |
| DEL, laser | électrique | lumineux |
| photodiode (capteur de lumière) | lumineux | électrique |
| antenne d’émission | électrique | radio |
| antenne de réception | radio | électrique |
Le babyphone : un signal qui change trois fois de nature
Choisir le canal
Le son porte à quelques dizaines de mètres et s’affaiblit vite. Les ondes radio passent sans fil, à travers les murs, et suivent un appareil qui se déplace. La fibre optique guide la lumière sur des milliers de kilomètres : les câbles sous-marins entre les continents sont faits de fibres optiques. Un fil électrique suffit pour relier deux appareils proches.
Suivre les natures. Babyphone : le cri (sonore) arrive au micro, qui le change en signal électrique ; l’antenne de l’émetteur le change en ondes radio ; l’antenne du récepteur, dans le salon, le change en signal électrique ; le haut-parleur refait un son. Sonore → électrique → radio → électrique → sonore : l’information « le bébé pleure » ne change pas.
Plusieurs canaux. Une page web arrive à la tablette d’Adam : le serveur envoie un signal électrique ; un laser le change en lumière qui parcourt la fibre optique jusqu’à la box ; une photodiode le refait électrique ; l’antenne de la box l’envoie en Wi-Fi (ondes radio) jusqu’à la tablette. Trois canaux : la fibre, les fils de la box, l’air.
Réflexe — je suis le signal de l’émetteur au récepteur et, à chaque appareil traversé, je me demande ce qu’il reçoit et ce qu’il produit ; entre deux appareils, je nomme le canal.
Attention — le micro et le haut-parleur ne sont pas des canaux : ce sont des convertisseurs. Et une onde radio n’est pas un son : elle traverse le vide, le son jamais.
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Le délai de propagation
Pendant un appel vers l’autre bout du monde, il arrive que les deux personnes parlent en même temps, puis se taisent ensemble : chaque phrase arrive avec un petit retard. Un signal n’est jamais instantané.
• Vitesses à connaître : ondes radio et lumière dans l’air, environ 300 000 km/s ; lumière dans une fibre optique, environ 200 000 km/s ; signal électrique dans un câble, environ 200 000 km/s ; son dans l’air, environ 340 m/s.
• Les unités vont ensemble : d en km avec v en km/s donne t en s. On écrit souvent le délai en millisecondes : 1 ms = 0,001 s.
• Un satellite sert de relais : le signal monte jusqu’à lui puis redescend. Pour un satellite au-dessus de l’émetteur et du récepteur, d = 2 × altitude. Un satellite géostationnaire, qui paraît immobile dans le ciel, est à environ 36 000 km d’altitude.
La vitesse de la lumière et des ondes radio dans le vide est étudiée dans « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière » ; celle du son, en 5ᵉ, dans « Son : vibration, propagation et vitesse ».
Le canal fixe la vitesse
| Canal | Nature du signal | Vitesse |
|---|---|---|
| air (antenne, Wi-Fi, satellite) | radio | ≈ 300 000 km/s |
| fibre optique | lumineux | ≈ 200 000 km/s |
| câble de cuivre | électrique | ≈ 200 000 km/s |
| air (voix, haut-parleur) | sonore | ≈ 340 m/s |
Sous l’Atlantique. Le câble sous-marin Marea, long d’environ 6 600 km, relie Virginia Beach (États-Unis) à Bilbao (Espagne) par des fibres optiques : t = 6 600 ÷ 200 000 = 0,033 s = 33 ms.
Par satellite géostationnaire. Le signal monte à 36 000 km puis redescend : d = 2 × 36 000 = 72 000 km ; t = 72 000 ÷ 300 000 = 0,24 s = 240 ms. C’est plus de sept fois le délai du câble : on entend le décalage dans une conversation.
Et le son ? Sur les 6 600 km du câble, à 340 m/s, un son mettrait 6 600 000 ÷ 340 ≈ 19 412 s, soit plus de 5 heures : pour communiquer loin, on n’utilise jamais le son lui-même.
Réflexe — je repère le canal (donc la vitesse) et la distance réellement parcourue (montée + descente pour un satellite), je mets d et v dans la même unité, je calcule t = d ÷ v, puis je convertis en ms si le délai est petit.
Attention — pour un satellite, on oublie souvent la descente. Et le délai de propagation ne dépend pas de la taille du message : une courte phrase et un long film mettent le même temps à parcourir le câble.
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Signal analogique, signal numérique
Le même concert peut s’écouter sur un disque vinyle ou en streaming sur un téléphone. Le son est le même ; ce qui change, c’est la façon dont l’information est codée dans le signal.
• Un signal numérique ne prend qu’un petit nombre de valeurs : le plus souvent deux niveaux, notés 0 et 1. Chaque 0 ou 1 est un bit.
• Des parasites (le « bruit ») déforment un signal analogique pour de bon. Un signal numérique reste lisible : le récepteur n’a qu’à reconnaître 0 ou 1, et des bits de contrôle ajoutés au message lui permettent de repérer des erreurs. Une copie numérique est identique à l’original ; une copie analogique se dégrade.
• Le monde qui nous entoure est analogique (la voix, la lumière, la température). Un convertisseur analogique-numérique change la tension d’un capteur en une suite de 0 et de 1 ; à l’arrivée, l’écran et le haut-parleur refont un signal analogique pour nos sens.
| Analogique | Numérique | |
|---|---|---|
| valeurs | toutes, de façon continue | quelques niveaux, souvent 0 et 1 |
| parasites | déforment le signal pour de bon | un 0 ou un 1 reste reconnaissable |
| copie | se dégrade à chaque copie | identique à l’original |
| exemples | tension d’un micro, sillon d’un disque vinyle, cassette audio, radio FM | fichier sur clé USB, radio DAB+, télévision TNT, Wi-Fi, 4G |
Sous un pont. En voiture, la radio FM (analogique) se met à grésiller : les parasites s’ajoutent au son. En radio DAB+ (numérique), le son reste parfait, puis se coupe net quand le signal devient trop faible, et revient parfait : c’est « tout ou rien ».
Enregistrer sa voix. Le micro du téléphone produit une tension analogique ; le convertisseur analogique-numérique du téléphone la change en 0 et 1, que l’on peut stocker, copier et envoyer sans perte. À l’écoute, l’écouteur refait un son.
Réflexe — je me demande si le signal peut prendre toutes les valeurs (analogique) ou seulement quelques niveaux, comme 0 et 1 (numérique) ; sur un graphique, je regarde si c’est une courbe continue ou une suite de paliers.
Attention — la nature du signal (sonore, lumineux, électrique, radio) ne dit pas s’il est analogique ou numérique : un signal électrique peut être l’un ou l’autre. Et numérique ne veut pas dire « meilleur » : tout dépend de la précision du codage.
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Coder l’information avec des bits
Dans un câble, une fibre ou par radio, un signal numérique n’est qu’une suite de 0 et de 1. Il faut savoir le lire, et savoir combien de bits sont nécessaires pour coder une information. En 5ᵉ, en technologie, tu as vu qu’un octet compte 8 bits et que 1 ko = 1 000 octets, 1 Mo = 1 000 ko, 1 Go = 1 000 Mo : voir « Numérique : système d’information, fichiers et arborescence ».
• Avec n bits, on peut écrire 2ⁿ combinaisons différentes : chaque bit de plus double leur nombre. 1 bit : 2 (0, 1) ; 2 bits : 4 (00, 01, 10, 11) ; 3 bits : 8 ; 8 bits : 2⁸ = 256.
• Pour coder N valeurs différentes, il faut le plus petit nombre de bits n tel que 2ⁿ ≥ N.
• Numériser un son : on mesure la tension du micro à intervalles réguliers (44 100 fois par seconde pour un CD audio), puis on arrondit chaque mesure à l’un des 2ⁿ niveaux possibles, écrit avec n bits (16 bits pour le CD : 2¹⁶ = 65 536 niveaux). Plus il y a de mesures et de bits, plus le son est fidèle… et plus il y a de bits à stocker.
• Nombre de bits produits par seconde = nombre de mesures par seconde × nombre de bits par mesure (× 2 en stéréo, deux voies).
Lire un message numérique
Lire. Sur le graphique, chaque bit dure 1 ms. On lit, de 0 à 8 ms : 5 V, 5 V, 0 V, 5 V, 0 V, 0 V, 5 V, 0 V, soit 11010010 : 8 bits, un octet, envoyé en 8 ms. À ce rythme, 1 000 bits passent en une seconde.
Combien de bits ? Pour coder les 26 lettres de l’alphabet : 2⁴ = 16, trop peu ; 2⁵ = 32 ≥ 26. Il faut au moins 5 bits.
Numériser la voix. Au téléphone, la voix est mesurée 8 000 fois par seconde, chaque mesure sur 8 bits : 8 000 × 8 = 64 000 bits par seconde.
Réflexe — pour n bits, je calcule 2ⁿ en doublant n fois à partir de 1 ; pour N valeurs, je double jusqu’à atteindre ou dépasser N, et je compte les doublements.
Attention — 2ⁿ n’est pas 2 × n : avec 5 bits, on a 32 combinaisons, pas 10. Et 8 bits donnent 256 valeurs, numérotées de 0 à 255.
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Le débit d’une transmission
Télécharger un jeu, regarder une vidéo, envoyer une photo : tout dépend du nombre de bits que la connexion fait passer chaque seconde, son débit.
• On en tire la durée d’un transfert, Δt = Q ÷ D, et la quantité transmise, Q = D × Δt.
• Les tailles de fichiers sont en octets (Mo, Go), les débits en bits par seconde (Mbit/s) : avant de calculer, on multiplie par 8 (1 Mo = 8 Mbit) et on met les préfixes d’accord (1 Go = 1 000 Mo).
• Durée d’arrivée d’un message complet = durée d’envoi (Q ÷ D) + délai de propagation (d ÷ v).
• Plusieurs usages en même temps se partagent la connexion : leurs débits s’additionnent. La compression (MP3, JPEG, vidéo en streaming) réduit Q en supprimant des détails peu perceptibles : le transfert est plus court.
Quelques débits nécessaires
| Usage | Débit conseillé |
|---|---|
| vidéo en HD (720p) | 3 Mbit/s |
| vidéo en Full HD (1080p) | 5 Mbit/s |
| vidéo en 4K | 15 Mbit/s |
Valeurs recommandées par une plateforme de vidéo en ligne.
Débit. Un fichier de 45 Mo arrive en 9 s : Q = 45 × 8 = 360 Mbit ; D = 360 ÷ 9 = 40 Mbit/s.
Durée. Un jeu de 6 Go, avec une connexion à 300 Mbit/s : Q = 6 000 Mo = 48 000 Mbit ; Δt = 48 000 ÷ 300 = 160 s = 2 min 40 s.
Débit et délai. Une photo de 2 Mo part par satellite géostationnaire à 16 Mbit/s : envoi 2 × 8 ÷ 16 = 1 s, plus le délai de 0,24 s : elle est entièrement arrivée au bout de 1,24 s.
Réflexe — je convertis la taille en bits (× 8 pour des octets) avec le même préfixe que le débit, j’écris D = Q ÷ Δt, Δt = Q ÷ D ou Q = D × Δt, puis je donne le résultat dans une unité adaptée (s, min).
Attention — oublier le × 8 est l’erreur la plus fréquente : 45 ÷ 9 = 5 serait faux. Et le débit n’est pas le délai : le débit dit combien de bits passent chaque seconde, le délai combien de temps met chaque bit pour faire le trajet.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles se voient dans un autre chapitre ou une autre matière.
La vitesse de la lumière. La valeur c ≈ 300 000 km/s, la relation d = c × t, les mesures par aller-retour (télémètre, radar) et l’année-lumière : « Lumière : vitesse de propagation et année-lumière ».
Écrire un nombre en binaire. Chaque bit a un poids (1, 2, 4, 8, 16…) en partant de la droite : 1011 s’écrit 8 + 0 + 2 + 1 = 11. Coder une lettre avec un octet (le code ASCII) se voit en technologie. Le convertisseur analogique-numérique d’une carte programmable est étudié en 3ᵉ dans « La chaîne d’information : capteurs, signaux et microcontrôleur ».
Taille d’un son ou d’une image (lycée). La taille d’un son numérisé se calcule à partir de la fréquence d’échantillonnage, du nombre de bits, du nombre de voies et de la durée : « Son numérique : une information à coder ». Une image en couleurs code chaque pixel avec trois nombres de 0 à 255 (rouge, vert, bleu) : « Image numérique : pixels, couleurs et poids ».
Onde porteuse et modulation (lycée). Pour voyager par radio, le signal modifie une onde de haute fréquence, la porteuse : son amplitude (radio AM) ou sa fréquence (radio FM).
- Un signal peut être sonore, lumineux, électrique ou radio ; micro, haut-parleur, DEL ou laser, photodiode et antenne changent sa nature ; l’information reste la même.
- Délai de propagation : t = d ÷ v ; ondes radio ≈ 300 000 km/s, fibre optique et câble ≈ 200 000 km/s, son ≈ 340 m/s ; satellite : montée + descente.
- Analogique : toutes les valeurs, de façon continue ; numérique : quelques niveaux, souvent 0 et 1 ; le numérique résiste aux parasites et se copie sans perte.
- Avec n bits, on écrit 2ⁿ combinaisons ; numériser, c’est mesurer à intervalles réguliers puis coder chaque mesure sur n bits.
- Débit D = Q ÷ Δt en bit/s ; 1 octet = 8 bits, donc 1 Mo = 8 Mbit ; durée d’arrivée = durée d’envoi + délai de propagation.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qu’un convertisseur dans une chaîne de transmission ?
C’est un appareil qui change la nature du signal : le micro change un son en signal électrique, le haut-parleur fait l’inverse, une DEL ou un laser change un signal électrique en lumière, une photodiode change la lumière en signal électrique, une antenne change un signal électrique en ondes radio (et l’inverse à la réception). L’information transportée ne change pas.
Comment calculer le délai de propagation d’un signal ?
On divise la distance parcourue par la vitesse du signal : t = d ÷ v. Ondes radio : environ 300 000 km/s ; fibre optique et câble : environ 200 000 km/s ; son : 340 m/s. Pour une fibre de 1 000 km, t = 1 000 ÷ 200 000 = 0,005 s = 5 ms. Par satellite, on compte la montée et la descente.
Quelle est la différence entre un signal analogique et un signal numérique ?
Un signal analogique varie de façon continue et peut prendre toutes les valeurs, comme la tension d’un micro. Un signal numérique ne prend que quelques niveaux, le plus souvent 0 et 1. Le numérique résiste mieux aux parasites et se copie sans perte.
Combien de valeurs peut-on coder avec n bits ?
Avec n bits, on écrit 2ⁿ combinaisons : 1 bit en donne 2, 2 bits en donnent 4, et chaque bit de plus double ce nombre. Pour coder N valeurs, il faut le plus petit n tel que 2ⁿ ≥ N.
Comment calculer un débit ou la durée d’un téléchargement ?
Le débit est D = Q ÷ Δt, en bit/s ; la durée est Δt = Q ÷ D. Comme les fichiers sont en octets et les débits en bits, on multiplie d’abord par 8 : 1 Mo = 8 Mbit. Exemple : 100 Mo à 20 Mbit/s, Q = 800 Mbit et Δt = 800 ÷ 20 = 40 s.
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