Collège · 3ᵉ · Physique
Transmission et réception de signaux
Modulation, antennes, chaîne de communication
À propos de cette page
Ce cours de physique en troisième sur « Transmission et réception de signaux » suit le programme officiel de physique de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La chaîne de communication : émetteur, canal, récepteur, Les canaux de transmission et le délai de propagation, Signal analogique, signal numérique, Coder l'information : bits, octets, numérisation. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en physique.
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La chaîne de communication : émetteur, canal, récepteur
Un appel, une radio, un message, une page web : transmettre une information suppose toujours les mêmes maillons.
Définition. Une chaîne de communication comprend une source d'information, un émetteur qui la transforme en signal (sonore, lumineux, électrique, radio), un canal qui transporte ce signal, un récepteur qui retransforme le signal en information, et un destinataire.
| Situation | Émetteur | Signal et canal | Récepteur |
|---|---|---|---|
| conversation | cordes vocales | son dans l'air | oreille |
| radio FM | antenne de la station | onde radio dans l'air | autoradio |
| télécommande | diode infrarouge | lumière infrarouge dans l'air | capteur de la télévision |
| Internet par fibre | laser de la box | lumière dans la fibre de verre | photodiode du serveur |
| téléphone filaire | micro | courant dans un câble de cuivre | haut-parleur |
Attention ! Un smartphone est à la fois émetteur et récepteur ; et un même message traverse souvent plusieurs canaux successifs : ondes radio jusqu'à l'antenne-relais, puis fibres optiques sur des milliers de kilomètres.
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Les canaux de transmission et le délai de propagation
| Canal | Nature du signal | Vitesse | Points forts / limites |
|---|---|---|---|
| air (ondes radio, Wi-Fi, 4G/5G) | onde électromagnétique | 300 000 km/s | sans fil, mobile ; portée limitée, obstacles, partage entre utilisateurs |
| fibre optique | lumière (infrarouge) | ≈ 200 000 km/s dans le verre | très haut débit, longue distance, insensible aux parasites ; il faut poser le câble |
| câble de cuivre | courant électrique | ≈ 200 000 km/s | simple ; débit limité, sensible aux parasites, s'affaiblit avec la distance |
| satellite | onde radio | 300 000 km/s | couvre les zones isolées ; délai important |
Délai de propagation. Un signal n'est jamais instantané : t = d / v. Le délai s'ajoute au temps nécessaire pour envoyer toutes les données.
Exemple. Marseille–New York par fibre (≈ 6 500 km à 200 000 km/s) : t = 6 500 / 200 000 ≈ 0,033 s = 33 ms. Par satellite géostationnaire (36 000 km d'altitude), le signal monte puis redescend : 72 000 / 300 000 = 0,24 s = 240 ms, d'où le décalage gênant en visioconférence ou en jeu en ligne.
Astuce. Les ondes radio de haute fréquence (5G à 3,5 GHz, Wi-Fi 5 GHz) offrent plus de débit mais traversent moins bien les murs et portent moins loin que les basses fréquences (4G à 700 MHz).
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Signal analogique, signal numérique
Définitions. Un signal analogique varie de façon continue : il peut prendre toutes les valeurs (tension d'un micro, sillon d'un vinyle, radio FM). Un signal numérique ne prend que des valeurs discrètes, en pratique deux niveaux notés 0 et 1 (fichier MP3, photo JPEG, Wi-Fi, TNT).
| Analogique | Numérique | |
|---|---|---|
| allure du signal | courbe continue | suite de créneaux 0 / 1 |
| parasites | déforment le signal de façon irréversible | un 0 ou un 1 reste reconnaissable : on reconstitue le signal exact |
| copie | chaque copie dégrade | copie identique, sans perte |
| traitement | difficile | compression, chiffrement, correction d'erreurs, stockage |
| exemples | vinyle, cassette, radio FM, ancienne TV | CD, MP3, TNT, DAB+, 4G, Internet |
Exemple. Sur une chaîne analogique brouillée, la musique grésille. Sur une chaîne numérique brouillée, soit l'image est parfaite, soit elle se fige : le récepteur corrige les erreurs jusqu'à une certaine limite, puis décroche.
Attention ! Le monde physique est analogique : la voix, la lumière, la température. Numériser, c'est le mesurer et le coder en nombres ; à l'arrivée, un haut-parleur ou un écran refait un signal analogique pour nos sens.
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Coder l'information : bits, octets, numérisation
Le bit. Le bit (binary digit) est la plus petite unité d'information : 0 ou 1. Un octet = 8 bits. 1 ko = 1 000 octets ; 1 Mo = 10⁶ octets ; 1 Go = 10⁹ octets. Avec n bits, on peut coder 2ⁿ valeurs différentes : 8 bits → 256 valeurs, 16 bits → 65 536 valeurs.
Numériser un son. On mesure la tension du micro à intervalles réguliers (échantillonnage, par exemple 44 100 mesures par seconde pour un CD), puis on arrondit chaque mesure à l'une des 2ⁿ valeurs possibles et on l'écrit en binaire (codage sur n bits). Plus il y a d'échantillons par seconde et de bits, plus le son est fidèle, plus le fichier est lourd.
Exemple. Le nombre binaire 1011 vaut 1 × 8 + 0 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1 = 11. La lettre A est codée 01000001 (un octet). Une photo de 12 millions de pixels codée sur 3 octets par pixel pèse 36 Mo avant compression, environ 3 Mo en JPEG.
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Le débit : combien de bits par seconde ?
Formule. Le débit D est la quantité d'information transmise par seconde : D = quantité de données / durée, en bit/s (et kbit/s, Mbit/s, Gbit/s). Durée d'un transfert : t = quantité / D. Attention aux unités : les fichiers sont en octets, les débits en bits ; 1 octet = 8 bits.
| Connexion | Débit typique | Film de 4 Go (32 000 Mbit) |
|---|---|---|
| ADSL | 10 Mbit/s | 3 200 s ≈ 53 min |
| 4G | 40 Mbit/s | 800 s ≈ 13 min |
| 5G | 300 Mbit/s | 107 s |
| fibre | 1 000 Mbit/s = 1 Gbit/s | 32 s |
Exemple. Une photo de 3,2 Mo = 3,2 × 8 = 25,6 Mbit. Envoyée en 4G à 16 Mbit/s, elle met 25,6 / 16 = 1,6 s. Un son numérisé à 8 000 échantillons par seconde sur 8 bits a un débit de 8 000 × 8 = 64 000 bit/s = 64 kbit/s : une minute occupe 64 000 × 60 / 8 = 480 000 octets = 480 ko.
Compression. Le MP3 (128 kbit/s) divise par 11 le débit du CD (1 411 kbit/s) en supprimant ce que l'oreille n'entend pas : compression avec perte. Un fichier ZIP compresse sans perte.
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Pour aller plus loin : onde porteuse, modulation, antennes
Une voix (20 Hz à 20 kHz) ne peut pas être envoyée telle quelle par ondes radio : il faut la « transporter » sur une onde de haute fréquence, la porteuse, dont on modifie une caractéristique au rythme du signal : c'est la modulation.
| Service | Fréquence de la porteuse | Type de signal |
|---|---|---|
| radio FM | 88 à 108 MHz | analogique, modulation de fréquence |
| radio DAB+ | 174 à 240 MHz | numérique |
| TNT | 470 à 694 MHz | numérique |
| 4G / 5G | 700 MHz à 3,5 GHz | numérique |
| Wi-Fi | 2,4 GHz et 5 GHz | numérique |
AM et FM. En modulation d'amplitude (AM), c'est la hauteur des oscillations de la porteuse qui suit le signal ; en modulation de fréquence (FM), c'est leur fréquence. La FM résiste mieux aux parasites, qui agissent surtout sur l'amplitude.
Antennes. Une antenne est efficace quand sa longueur est proche du quart de la longueur d'onde (λ = c / f). Radio FM à 100 MHz : λ = 3 m, antenne ≈ 75 cm (l'autoradio). Wi-Fi à 2,4 GHz : λ = 12,5 cm, antenne ≈ 3 cm : elle tient dans un smartphone.
En bref
- Chaîne de communication : source → émetteur → canal (air, câble, fibre) → récepteur → destinataire. Délai = d / v (fibre ≈ 200 000 km/s ; satellite géostationnaire : 240 ms aller-retour).
- Analogique : continu, sensible aux parasites. Numérique : 0 et 1, copie sans perte, correction d'erreurs.
- 1 octet = 8 bits ; n bits → 2ⁿ valeurs ; numériser = échantillonner puis coder.
- Débit = quantité / durée en bit/s ; convertir les octets en bits (× 8).
- Porteuse modulée (AM : amplitude, FM : fréquence) ; antenne ≈ λ/4.
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