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, Signaux analogiques et signaux numériques, La modulation : principes et types, Les ondes porteuses et les fréquences utilisées. 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.
Au programme
1 · La chaîne de communication : émetteur, canal, récepteur
2 · Signaux analogiques et signaux numériques
3 · La modulation : principes et types
4 · Les ondes porteuses et les fréquences utilisées
5 · Les antennes : émission et réception
6 · Avantages du numérique et transmission des données
7 · La conversion analogique-numérique (CAN)
1La chaîne de communication : émetteur, canal, récepteur
Pour transmettre une information d'un endroit à un autre, on utilise une chaîne de communication. Qu'il s'agisse d'un appel téléphonique, d'une émission de radio ou d'une connexion Wi-Fi, le schéma de base reste le même.
Définition. Une
chaîne de communication comporte trois éléments :
- l'émetteur : il capte l'information originale et la convertit en signal transmissible ;
- le canal de transmission : il transporte le signal (câble, fibre optique, air…) ;
- le récepteur : il reçoit le signal et le reconvertit en information exploitable.
On appelle signal la grandeur physique qui évolue dans le temps et qui porte l'information. Il peut être d'ordre électrique, lumineux, acoustique ou électromagnétique.
| Exemple | Émetteur | Canal | Récepteur |
|---|
| Radio FM | Studio de radio | Air (ondes radio) | Poste de radio |
| Téléphone filaire | Microphone | Câble électrique | Haut-parleur |
| Fibre optique | Émetteur laser | Fibre optique | Photorécepteur |
| Wi-Fi | Box internet | Air (ondes micro-ondes) | Ordinateur, smartphone |
Exemple. Lors d'un appel téléphonique, le microphone (émetteur) convertit la voix en signal électrique. Ce signal circule via le réseau mobile (canal) jusqu'au téléphone de l'interlocuteur (récepteur) qui le reconvertit en son grâce au haut-parleur.
Attention ! Le signal peut être perturbé lors de son trajet dans le canal. Ces perturbations sont appelées bruits. Ils peuvent déformer ou détruire partiellement l'information transmise.
2Signaux analogiques et signaux numériques
Les signaux porteurs d'information peuvent être de deux natures très différentes selon la façon dont ils représentent l'information : analogique ou numérique.
Définition. Un signal analogique est un signal dont la grandeur physique varie de façon continue dans le temps, pouvant prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné.
La voix humaine, la tension délivrée par un microphone ou un thermomètre à mercure sont des exemples de signaux analogiques.
Définition. Un signal numérique est un signal qui ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs discrètes. En informatique et en télécommunications, on utilise le plus souvent deux valeurs : 0 et 1 (système binaire).
Les données transmises par ordinateur, les SMS ou encore les fichiers musicaux MP3 sont des exemples de signaux numériques.
| Caractéristique | Signal analogique | Signal numérique |
|---|
| Valeurs possibles | Continues (infinité) | Discrètes (ex. 0 ou 1) |
| Sensibilité aux perturbations | Élevée (le bruit se superpose) | Faible (0 ou 1 faciles à distinguer) |
| Qualité de reproduction | Dégradée si signal faible | Parfaite jusqu'à un certain seuil |
| Stockage | Difficile (ex. cassette) | Facile (disque dur, CD…) |
Exemple. Un disque vinyle enregistre un sillon en relief continu (analogique). Un CD stocke des séries de 0 et de 1 gravés sous forme de cratères microscopiques (numérique).
Astuce. Pour distinguer analogique et numérique, on peut retenir : analogique = continu et numérique = discret (digital en anglais).
3La modulation : principes et types
Pour transmettre un signal (voix, musique, données) via une onde électromagnétique, on ne peut pas envoyer directement le signal à transmettre dans l'air. On utilise une technique appelée modulation.
Définition. La modulation consiste à modifier une onde porteuse (onde de haute fréquence) en fonction du signal à transmettre (signal modulant de basse fréquence). L'onde résultante, appelée onde modulée, peut se propager sur de grandes distances et transporter l'information.
Il existe deux grands types de modulation en amplitude et en fréquence :
Modulation d'amplitude (AM). On fait varier l'amplitude de l'onde porteuse proportionnellement à l'amplitude du signal modulant. La fréquence de l'onde porteuse reste constante.
Modulation de fréquence (FM). On fait varier la fréquence de l'onde porteuse proportionnellement au signal modulant. L'amplitude de l'onde porteuse reste constante.
| Type | Paramètre modifié | Avantages | Inconvénients |
|---|
| AM (Modulation d'Amplitude) | Amplitude | Longue portée, technologie simple | Sensible au bruit électrique |
| FM (Modulation de Fréquence) | Fréquence | Meilleure qualité sonore, moins de bruit | Portée plus faible (environ 100 km) |
Exemple. Les stations de radio « France Inter » ou « NRJ » émettent en FM dans la bande 87,5–108 MHz. Les grandes ondes (AM) permettent de capter des stations à des milliers de kilomètres, mais avec une qualité sonore moindre.
Attention ! La modulation est différente du signal lui-même : l'onde porteuse n'est que le « véhicule ». C'est le signal modulant qui contient l'information.
4Les ondes porteuses et les fréquences utilisées
Chaque type de communication utilise des ondes électromagnétiques dans des gammes de fréquences bien précises, attribuées par des organismes internationaux (comme l'UIT) pour éviter les interférences.
La relation entre la fréquence f, la longueur d'onde λ et la vitesse de la lumière c est :
Relation fréquence – longueur d'onde. c = λ × f
avec c = 3 × 108 m/s (vitesse de la lumière dans le vide), f en hertz (Hz), λ en mètres (m).
Donc : λ = c / f et f = c / λ.
| Usage | Gamme de fréquences | Longueur d'onde |
|---|
| Grandes ondes (AM) | 150–285 kHz | 1 km – 2 km |
| Ondes moyennes (AM) | 530–1 600 kHz | 190–565 m |
| FM radio | 87,5–108 MHz | 2,8–3,4 m |
| Wi-Fi (2,4 GHz) | 2 400–2 500 MHz | ≈ 12 cm |
| Téléphonie mobile (4G/5G) | 700 MHz – 3,5 GHz | 8 cm – 43 cm |
Exemple. Une station FM émet à 98 MHz. Sa longueur d'onde est : λ = 3 × 108 / 98 × 106 = 3,06 m. L'antenne d'un poste récepteur FM a souvent une longueur d'environ λ/4 ≈ 76 cm.
Astuce. Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte : ce sont des ondes « courtes » qui transportent plus d'information mais sur des distances plus limitées (Wi-Fi, 5G).
5Les antennes : émission et réception
Les antennes sont des dispositifs indispensables à toute communication utilisant des ondes électromagnétiques. Elles jouent le rôle d'interface entre un circuit électrique et l'espace libre.
Définition. Une antenne émettrice convertit un signal électrique en onde électromagnétique qui se propage dans l'espace. Une antenne réceptrice convertit une onde électromagnétique reçue en signal électrique.
Le même dispositif peut souvent jouer les deux rôles (antenne de téléphone portable, par exemple).
Les caractéristiques essentielles d'une antenne :
- Fréquence de résonance : l'antenne est optimisée pour capter ou émettre à une fréquence précise. Sa longueur est généralement un multiple de la demi-longueur d'onde (λ/2 ou λ/4).
- Gain : certaines antennes directionnelles concentrent l'émission ou la réception dans une direction privilégiée.
- Diagramme de rayonnement : représente graphiquement la répartition de l'énergie émise ou reçue selon les directions de l'espace.
Exemple. Une antenne dipôle de longueur λ/2 ≈ 1,5 m est adaptée pour la FM à 100 MHz. Les grandes antennes relais de téléphonie (pylônes) émettent et reçoivent les signaux 4G/5G avec des antennes directionnelles permettant de couvrir des zones géographiques précises.
Attention ! La taille de l'antenne doit être adaptée à la longueur d'onde utilisée. Une antenne trop courte ou trop longue par rapport à λ sera moins efficace.
Astuce. Les antennes internes des smartphones sont beaucoup plus petites que λ/4 car elles fonctionnent avec des circuits électroniques d'adaptation. C'est pourquoi elles sont moins efficaces dans des zones mal couvertes.
6Avantages du numérique et transmission des données
La transmission numérique présente de nombreux avantages par rapport à la transmission analogique, ce qui explique que le monde des télécommunications a basculé massivement vers le numérique depuis les années 1990-2000.
Principaux avantages du numérique :
- Robustesse au bruit : un signal binaire (0 ou 1) est facile à régénérer même en présence de perturbations. Un signal analogique bruité est irrémédiablement dégradé.
- Compression des données : les algorithmes de compression (MP3, JPEG, MPEG…) permettent de réduire considérablement la taille des fichiers sans perte perceptible de qualité.
- Détection et correction d'erreurs : des codes correcteurs permettent de détecter et corriger automatiquement des erreurs survenues lors de la transmission.
- Cryptage : les données numériques peuvent être chiffrées facilement pour assurer la confidentialité des communications.
- Stockage facile : les données numériques peuvent être copiées à l'identique indéfiniment.
Débit binaire. Le débit binaire D est la quantité d'information transmise par unité de temps. Il s'exprime en bits par seconde (bit/s ou bps) et ses multiples (kbit/s, Mbit/s, Gbit/s).
D = N / t, où N est le nombre de bits transmis et t la durée de transmission.
Exemple. Un fichier audio MP3 de 5 Mo (= 5 × 8 × 106 = 40 × 106 bits = 40 Mbits) téléchargé en 4 secondes correspond à un débit de 40 / 4 = 10 Mbit/s.
Attention ! Il ne faut pas confondre bit (b, minuscule) et octet (B, majuscule). 1 octet = 8 bits. Les débits internet sont souvent exprimés en Mbit/s mais les tailles de fichiers en Mo (mégaoctets).
7La conversion analogique-numérique (CAN)
Pour numériser un signal analogique (voix, musique, image…), on réalise une conversion analogique-numérique (CAN), également appelée numérisation. Cette opération se fait en plusieurs étapes.
Étape 1 : l'échantillonnage. On mesure la valeur du signal analogique à intervalles de temps réguliers (période d'échantillonnage Te). La fréquence d'échantillonnage fe = 1 / Te détermine la qualité de la représentation temporelle du signal.
Étape 2 : la quantification. Chaque valeur échantillonnée est arrondie à la valeur la plus proche parmi un ensemble fini de valeurs (niveaux de quantification). Le nombre de niveaux dépend du nombre de bits utilisés : avec n bits, on a 2n niveaux possibles.
Étape 3 : le codage. Chaque niveau est converti en un mot binaire (suite de 0 et de 1) de n bits. On obtient ainsi le signal numérique.
| Paramètre | Influence sur la qualité |
|---|
| Fréquence d'échantillonnage fe | Plus fe est grande, mieux le signal est reproduit dans le temps |
| Nombre de bits n | Plus n est grand (2n niveaux), mieux les amplitudes sont reproduites |
Exemple. Un CD audio utilise une fréquence d'échantillonnage de 44 100 Hz et une quantification sur 16 bits (216 = 65 536 niveaux). Cela garantit une qualité audio très fidèle à l'original. Le débit binaire par canal (mono) est : 44 100 × 16 = 705 600 bits/s ≈ 706 kbit/s.
Astuce. Selon le théorème de Shannon-Nyquist, pour reproduire correctement un signal, la fréquence d'échantillonnage doit être au moins le double de la fréquence maximale du signal. Pour la voix (0–4 kHz), fe ≥ 8 kHz suffit. Pour la musique (0–20 kHz), il faut fe ≥ 40 kHz, d'où les 44,1 kHz du CD.
★À retenir
En bref :
• Une chaîne de communication comporte un émetteur, un canal et un récepteur.
• Un signal analogique varie continûment ; un signal numérique ne prend que des valeurs discrètes (0 et 1).
• La modulation AM fait varier l'amplitude de l'onde porteuse ; la modulation FM fait varier sa fréquence.
• Relation fréquence–longueur d'onde : c = λ × f avec c = 3 × 108 m/s.
• Une antenne émettrice convertit un signal électrique en onde EM ; une antenne réceptrice fait l'inverse.
• La numérisation comporte trois étapes : échantillonnage, quantification, codage.
• Le débit binaire D = N / t s'exprime en bit/s.
• 1 octet = 8 bits.