📡 MPS8 - Transmission de l'Information
Theorie de l'Information
1.1 Fondements de la theorie de l'information
La theorie de l'information, fondee par Claude Shannon (1948), quantifie l'information et etablit les limites fondamentales de la compression et de la transmission de donnees.
Quantite d'information
L'information apportee par un evenement de probabilite p :
Plus un evenement est rare, plus il apporte d'information.
L'entropie mesure l'information moyenne d'une source :
C'est la limite theorique de compression sans perte.
De equilibre a 6 faces (p = 1/6 chacune) :
- Information par face : I = log₂(6) = 2.585 bits
- Entropie : H = log₂(6) = 2.585 bits/lancer
De pipe (face 6 sort 50% du temps, autres 10%) :
- H = -[0.5×log₂(0.5) + 5×0.1×log₂(0.1)] = 2.16 bits/lancer
- L'entropie diminue car le resultat est plus previsible.
1.2 Capacite d'un canal de transmission
La capacite maximale d'un canal a bruit blanc gaussien additif (AWGN) :
ou B = bande passante (Hz) et SNR = rapport signal/bruit
| Canal | Bande (B) | SNR typ. | Capacite theorique |
|---|---|---|---|
| Telephone RTC | 3.4 kHz | 30 dB (1000) | 34 kbps |
| ADSL | 1.1 MHz | 40 dB | 14.6 Mbps |
| WiFi 802.11n | 40 MHz | 25 dB | 333 Mbps |
| Fibre optique | 5 THz | 20 dB | 33 Tbps |
- On ne peut pas depasser la capacite C sans erreurs
- Avec un codage approprie, on peut s'approcher de C
- Compromis bande passante ↔ SNR ↔ debit
- Doubler le SNR ajoute ~1 bit/symbole
1.3 Codage source (compression)
Codage de Huffman
Le codage de Huffman attribue des codes plus courts aux symboles frequents et plus longs aux symboles rares, minimisant la longueur moyenne du code.
Source avec 4 symboles :
| Symbole | Probabilite | Code fixe | Code Huffman |
|---|---|---|---|
| A | 0.50 | 00 | 0 |
| B | 0.25 | 01 | 10 |
| C | 0.15 | 10 | 110 |
| D | 0.10 | 11 | 111 |
Longueur moyenne Huffman : 0.5×1 + 0.25×2 + 0.15×3 + 0.10×3 = 1.75 bits
Entropie : H ≈ 1.74 bits (quasi optimal !)
Types de compression
Sans perte (lossless)
- Huffman, LZW, DEFLATE
- ZIP, PNG, FLAC
- Reconstruction parfaite
- Taux : 2:1 a 10:1
Avec perte (lossy)
- JPEG, MP3, H.264
- Compression perceptuelle
- Perte d'info acceptee
- Taux : 10:1 a 100:1
Supports de Transmission
2.1 Lignes de transmission
Une ligne de transmission est un systeme a constantes reparties caracterise par son impedance caracteristique Z₀ et ses parametres lineiques (R, L, C, G par unite de longueur).
En haute frequence (R << ωL, G << ωC) :
Coefficient de reflexion :
Rapport d'ondes stationnaires (ROS/VSWR) :
Types de cables
| Type | Z₀ (Ω) | Bande passante | Attenuation | Application |
|---|---|---|---|---|
| Coaxial RG-58 | 50 | 1 GHz | 0.5 dB/m @100MHz | RF, instrumentation |
| Coaxial RG-6 | 75 | 3 GHz | 0.2 dB/m @1GHz | TV, cable |
| Paire torsadee Cat5e | 100 | 125 MHz | 22 dB/100m @100MHz | Ethernet 1Gbps |
| Paire torsadee Cat6a | 100 | 500 MHz | 35 dB/100m @500MHz | Ethernet 10Gbps |
| RS-485 | 120 | 10 MHz | Variable | Industriel, MODBUS |
Adaptation d'impedance
Generateur Ligne Z₀ Charge
┌─────┐ ─────────────── ┌─────┐
│ │═════════════════════════════════│ Z_L │
│ Rg │ Z₀ = 50Ω │ │
└─────┘ ─────────────── └─────┘
Si Z_L = Z₀ : Γ = 0, pas de reflexion ✓
Si Z_L ≠ Z₀ : Γ ≠ 0, ondes stationnaires ✗
2.2 Fibres optiques
Guide d'onde dielectrique qui transporte la lumiere par reflexion totale interne. Constituee d'un coeur (n₁) entoure d'une gaine (n₂) avec n₁ > n₂.
Types de fibres
| Type | Coeur/Gaine | Bande passante | Attenuation | Distance |
|---|---|---|---|---|
| Multimode OM1 | 62.5/125 µm | 200 MHz·km | 3.5 dB/km @850nm | 300m @1Gbps |
| Multimode OM3 | 50/125 µm | 2000 MHz·km | 3.0 dB/km @850nm | 300m @10Gbps |
| Multimode OM4 | 50/125 µm | 4700 MHz·km | 3.0 dB/km @850nm | 400m @10Gbps |
| Monomode OS2 | 9/125 µm | Illimitee | 0.4 dB/km @1310nm | 10km+ @10Gbps |
Angle d'acceptance : θ_max = arcsin(ON/n_air)
Fenetres de transmission
850 nm (1ere fenetre)
LED/VCSEL, multimode
Attenuation : 2-3 dB/km
Courte distance, LAN
1310 nm (2eme fenetre)
Laser, dispersion min.
Attenuation : 0.35 dB/km
MAN, acces
1550 nm (3eme fenetre)
Laser, attenuation min.
Attenuation : 0.2 dB/km
WAN, sous-marin
2.3 Transmission sans fil
Puissance recue en espace libre :
Affaiblissement en espace libre :
avec d en metres et f en Hz
Bandes de frequences courantes
| Technologie | Frequence | Debit max | Portee typ. | Application |
|---|---|---|---|---|
| LoRa | 868 MHz (EU) | 50 kbps | 15 km | IoT, capteurs |
| Zigbee | 2.4 GHz | 250 kbps | 100 m | Domotique |
| Bluetooth 5.0 | 2.4 GHz | 2 Mbps | 200 m | Wearables |
| WiFi 6 (802.11ax) | 2.4/5/6 GHz | 9.6 Gbps | 50 m | LAN sans fil |
| 5G NR | 3.5/26 GHz | 20 Gbps | 1 km | Mobile broadband |
En environnement reel, le signal subit des reflexions, diffractions et absorptions. Cela cause :
- Fading : Variations rapides du niveau recu
- Delay spread : Etalement temporel (ISI)
- Shadowing : Zones d'ombre
Solutions : diversite d'antennes, OFDM, egalisation.
Modulations Numeriques
3.1 Principes de la modulation numerique
La modulation numerique adapte un signal binaire a un canal de transmission en modifiant l'amplitude, la frequence ou la phase d'une porteuse sinusoidale.
Chaine de transmission numerique
Bits ──►[Mapping]──►[Mise en forme]──►[Modulateur]──►[Canal]
│ │ │ │
Symboles Impulsions Porteuse Bruit
│ │ │ │
Bits ◄──[Decision]◄──[Filtre adapte]◄──[Demodulateur]◄─┘
Parametres cles
Debit binaire :
Debit symbole (Baud rate) :
Efficacite spectrale :
ou M = nombre d'etats de la modulation
3.2 Modulations de base
ASK (Amplitude Shift Keying)
Donnees: 1 0 1 1 0
┌───┐ ┌───────────┐
Signal: │ │ │ │
────┘ └───────────┘ └────────
s(t) = A × m(t) × cos(2πf_c×t)
OOK (On-Off Keying): A = {0, A_max}
FSK (Frequency Shift Keying)
Donnees: 1 0 1 1 0
Signal: ∿∿∿∿∿∿ ~~~~~~ ∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿∿ ~~~~~~
f₁ f₀ f₁ f₁ f₀
s(t) = A × cos(2π×f_k×t) ou f_k ∈ {f₀, f₁}
Indice de modulation: h = |f₁ - f₀| × T_b
PSK (Phase Shift Keying)
BPSK (2-PSK)
2 phases : 0° et 180°
1 bit/symbole
──●────────────────●──
180° 0°
(0) (1)
QPSK (4-PSK)
4 phases : 45°, 135°, 225°, 315°
2 bits/symbole
Q
│ 01 × × 00
│ ╲ ╱
────┼───────●───────
│ ╱ ╲
│ 11 × × 10
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Combinaison de modulation d'amplitude et de phase. Le signal est decompose sur deux porteuses en quadrature (I et Q).
| Modulation | Points | bits/symbole | SNR requis (BER=10⁻⁶) | Usage |
|---|---|---|---|---|
| BPSK | 2 | 1 | 10.5 dB | Satellite, GPS |
| QPSK | 4 | 2 | 10.5 dB | DVB-S, 3G |
| 8-PSK | 8 | 3 | 14 dB | DVB-S2 |
| 16-QAM | 16 | 4 | 14.5 dB | DVB-T, LTE |
| 64-QAM | 64 | 6 | 18.5 dB | WiFi, cable |
| 256-QAM | 256 | 8 | 24 dB | DOCSIS 3.1 |
| 1024-QAM | 1024 | 10 | 30 dB | WiFi 6 |
3.3 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
Technique de modulation multi-porteuses ou les donnees sont reparties sur de nombreuses sous-porteuses orthogonales. Tres resistante aux multi-trajets.
Spectre OFDM
Amplitude
│ ╱╲ ╱╲ ╱╲ ╱╲ ╱╲ ╱╲
│ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲ ╱ ╲
│ ╱ ╲╱ ╲╱ ╲╱ ╲╱ ╲╱ ╲
│ ╱ ╳ ╳ ╳ ╳ ╱
└──────────────────────────────────────► f
f₀ f₁ f₂ f₃ f₄ f₅
Espacement: Δf = 1/T_symbole (orthogonalite)
Chaque sous-porteuse est a un zero des autres
Parametres OFDM typiques
| Standard | Sous-porteuses | Δf | Prefixe cyclique | Modulation |
|---|---|---|---|---|
| WiFi 802.11a/g | 64 (52 data) | 312.5 kHz | 0.8 µs | BPSK a 64-QAM |
| DVB-T (8k) | 8192 (6817 data) | 1.116 kHz | 1/4 a 1/32 | QPSK a 64-QAM |
| LTE (15 kHz) | Jusqu'a 1200 | 15 kHz | 4.7/16.7 µs | QPSK a 256-QAM |
| 5G NR | Variable | 15-240 kHz | Variable | Jusqu'a 256-QAM |
- Robustesse aux multi-trajets grace au prefixe cyclique
- Egalisation simple dans le domaine frequentiel
- Implementation efficace via FFT/IFFT
- Flexibilite d'allocation des ressources
Codage de Canal (Detection et Correction d'Erreurs)
4.1 Detection d'erreurs
Bit de parite
Un bit ajoute pour rendre le nombre total de 1 pair (parite paire) ou impair (parite impaire). Detecte les erreurs simples mais ne les corrige pas.
Donnees : 1011001 (quatre 1)
Parite paire : 10110010 (bit de parite = 0)
Si recu : 10110110 → nombre de 1 impair → erreur detectee!
CRC (Cyclic Redundancy Check)
Division polynomiale du message M(x) par un polynome generateur G(x) :
ou R(x) = reste de M(x)×x^r / G(x) et r = degre de G(x)
| CRC | Polynome | Bits | Detection | Usage |
|---|---|---|---|---|
| CRC-8 | x⁸+x²+x+1 | 8 | 1-8 bits | Dallas 1-Wire |
| CRC-16-CCITT | x¹⁶+x¹²+x⁵+1 | 16 | 1-16 bits | HDLC, X.25 |
| CRC-32 | 0x04C11DB7 | 32 | Excellente | Ethernet, ZIP |
4.2 Correction d'erreurs (FEC)
Codes de Hamming
Code lineaire capable de detecter jusqu'a 2 erreurs et de corriger 1 erreur. Pour un code Hamming(n,k), n = 2ᵐ-1 bits totaux, k = n-m bits de donnees, m bits de parite.
Donnees : d₁d₂d₃d₄ = 1011
Positions : p₁ p₂ d₁ p₄ d₂ d₃ d₄
- p₁ couvre positions 1,3,5,7 → p₁⊕d₁⊕d₂⊕d₄ = 0
- p₂ couvre positions 2,3,6,7 → p₂⊕d₁⊕d₃⊕d₄ = 0
- p₄ couvre positions 4,5,6,7 → p₄⊕d₂⊕d₃⊕d₄ = 0
Mot code : 0101011
Codes convolutifs
Code a memoire ou chaque bit de sortie depend des bits actuels et precedents. Caracterise par le taux de codage R=k/n et la longueur de contrainte K.
Encodeur convolutif R=1/2, K=3
u[n] ──►[z⁻¹]──►[z⁻¹]
│ │
└────┬───┘
│
g₁ = [1,1,1] ▼ g₂ = [1,0,1]
┌───(⊕)───┐
│ │
▼ ▼
c₁[n] c₂[n]
Pour 1 bit en entree → 2 bits en sortie
Turbo codes et LDPC
Turbo Codes
- Deux encodeurs convolutifs en parallele
- Entrelaceur entre les deux
- Decodage iteratif SISO
- Proche de la limite de Shannon
- Usage : 3G/4G, deep space
LDPC (Low-Density Parity-Check)
- Matrice de parite creuse
- Decodage par propagation de croyance
- Performances excellentes
- Parallelisable (hardware)
- Usage : WiFi 6, 5G, DVB-S2
4.3 Entrelacement
Technique qui disperse les bits dans le temps pour transformer des erreurs en rafale en erreurs isolees, plus faciles a corriger.
Entrelacement bloc (4×4)
Ecriture (lignes): Lecture (colonnes):
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ 1 2 3 4 │ │ 1 5 9 13 │
│ 5 6 7 8 │ ───► │ 2 6 10 14 │
│ 9 10 11 12 │ │ 3 7 11 15 │
│ 13 14 15 16 │ │ 4 8 12 16 │
└─────────────────┘ └─────────────────┘
Rafale d'erreurs sur 5,6,7,8 → dispersee en 2,6,10,14
Protocoles de Communication
5.1 Modele OSI et TCP/IP
| Couche OSI | Fonction | TCP/IP | Protocoles | PDU |
|---|---|---|---|---|
| 7. Application | Interface utilisateur | Application | HTTP, FTP, SMTP, DNS | Donnees |
| 6. Presentation | Format, chiffrement | SSL/TLS, JPEG, ASCII | Donnees | |
| 5. Session | Connexions | NetBIOS, RPC | Donnees | |
| 4. Transport | Bout en bout | Transport | TCP, UDP | Segment |
| 3. Reseau | Routage | Internet | IP, ICMP, ARP | Paquet |
| 2. Liaison | Trame, MAC | Acces reseau | Ethernet, WiFi, PPP | Trame |
| 1. Physique | Bits, signaux | RS-232, RJ-45, fibre | Bits |
5.2 Protocoles serie industriels
UART
Trame UART (8N1)
Idle ─┐ ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐ ┌─ Idle
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
└──┤S│0│1│2│3│4│5│6│7│P├──┘
│t│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│a│ D a t a (LSB first) │
│r│ │t│
│t│ │o│
│ │ │p│
Start (0) + 8 data + Stop (1) = 10 bits/octet
| Parametre | Valeurs typiques |
|---|---|
| Baud rate | 9600, 19200, 38400, 115200, 921600 |
| Data bits | 7, 8, 9 |
| Parite | None, Even, Odd |
| Stop bits | 1, 1.5, 2 |
RS-485
Standard de communication serie differentielle multi-point. Permet jusqu'a 32 equipements sur un bus, distances jusqu'a 1200m.
Bus RS-485 multi-drop
┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐
│Maitre│ │Esclave│ │Esclave│ │Esclave│
│ ID=0 │ │ ID=1 │ │ ID=2 │ │ ID=3 │
└──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘ └──┬───┘
│ A │ A │ A │ A
═══╪═══════════╪══════════╪══════════╪═══════
│ B │ B │ B │ B
├───────────┴──────────┴──────────┤
R_term R_term
120Ω 120Ω
MODBUS RTU
Trame MODBUS RTU
┌────────┬──────────┬───────────┬───────────┐
│ Adresse│ Fonction │ Donnees │ CRC-16 │
│ 1 octet│ 1 octet │ N octets │ 2 octets │
└────────┴──────────┴───────────┴───────────┘
Silences de 3.5 caracteres entre trames
| Code fonction | Description | Registres |
|---|---|---|
| 0x01 | Read Coils | 0xxxx |
| 0x02 | Read Discrete Inputs | 1xxxx |
| 0x03 | Read Holding Registers | 4xxxx |
| 0x04 | Read Input Registers | 3xxxx |
| 0x05 | Write Single Coil | 0xxxx |
| 0x06 | Write Single Register | 4xxxx |
| 0x10 | Write Multiple Registers | 4xxxx |
5.3 Bus de terrain industriels
CAN Bus
Trame CAN 2.0A
┌───┬─────────┬───┬───┬────┬─────────┬─────┬───┬───┬───┐
│SOF│Identif. │RTR│IDE│ r0 │ DLC │Data │CRC│ACK│EOF│
│ 1 │ 11 │ 1 │ 1 │ 1 │ 4 │0-64 │ 15│ 2 │ 7 │
└───┴─────────┴───┴───┴────┴─────────┴─────┴───┴───┴───┘
Arbitrage par identifiant (plus petit = prioritaire)
Debit: 125 kbps a 1 Mbps
Comparaison des bus industriels
| Bus | Debit | Distance | Noeuds | Application |
|---|---|---|---|---|
| CAN | 1 Mbps | 40m @1Mbps | 127 | Automobile, industrie |
| PROFIBUS | 12 Mbps | 100m @12Mbps | 126 | Automatisme |
| PROFINET | 100 Mbps | 100m | Illimite | Temps reel |
| EtherCAT | 100 Mbps | 100m | 65535 | Motion control |
| Modbus TCP | 100 Mbps | 100m | Illimite | SCADA, supervision |
Reseaux et Applications
6.1 Ethernet et commutation
Trame Ethernet
Trame Ethernet II
┌────────┬────────┬────────┬──────┬───────────┬─────┐
│Preambule│ SFD │MAC Dest│MAC Src│EtherType│Payload│FCS │
│ 7 oct │ 1 oct │ 6 oct │ 6 oct │ 2 oct │46-1500│4oct│
└────────┴────────┴────────┴───────┴─────────┴───────┴────┘
EtherType: 0x0800 = IPv4, 0x0806 = ARP, 0x86DD = IPv6
Adressage IP
| Classe | Plage | Masque defaut | Hotes |
|---|---|---|---|
| A | 1.0.0.0 - 126.255.255.255 | /8 (255.0.0.0) | 16M |
| B | 128.0.0.0 - 191.255.255.255 | /16 (255.255.0.0) | 65k |
| C | 192.0.0.0 - 223.255.255.255 | /24 (255.255.255.0) | 254 |
| Prive A | 10.0.0.0/8 | /8 | 16M |
| Prive B | 172.16.0.0/12 | /12 | 1M |
| Prive C | 192.168.0.0/16 | /16 | 65k |
6.2 Reseaux IoT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)
Architecture MQTT
┌──────────┐ ┌──────────┐
│Publisher │◄────────────────────────────►│Subscriber│
│(Capteur) │ ┌────────┐ │ (App) │
└────┬─────┘ │ Broker │ └────┬─────┘
│ │ │ │
│ PUBLISH │ │ SUBSCRIBE │
│ temp/salon │ │ temp/# │
└──────────────►│ │◄───────────────┘
│ │
│ PUBLISH│
│ temp/salon
│────────┼───────────────►│
└────────┘
Topics: capteur/temperature/salon
QoS: 0 (at most once), 1 (at least once), 2 (exactly once)
Comparaison protocoles IoT
| Protocole | Transport | Overhead | QoS | Usage |
|---|---|---|---|---|
| MQTT | TCP | 2 octets min | 0,1,2 | IoT general |
| CoAP | UDP | 4 octets | Confirmable | Contraints |
| HTTP/REST | TCP | ~500 octets | Non | Web APIs |
| WebSocket | TCP | 2-14 octets | Non | Temps reel |
6.3 Securite des communications
Chiffrement
Chiffrement symetrique
- Meme cle pour chiffrer/dechiffrer
- AES (128, 192, 256 bits)
- Rapide, adapte aux flux
- Probleme de distribution de cle
Chiffrement asymetrique
- Cle publique / cle privee
- RSA (2048, 4096 bits)
- ECC (256 bits)
- Lent, pour echange de cles
TLS/SSL
Handshake TLS 1.3
Client Server
│ │
│────── ClientHello ───────────────►│
│ (versions, ciphers, random) │
│ │
│◄───── ServerHello ────────────────│
│ (version, cipher, random) │
│◄───── Certificate ────────────────│
│◄───── CertificateVerify ──────────│
│◄───── Finished ───────────────────│
│ │
│────── Finished ──────────────────►│
│ │
│◄═══════ Application Data ════════►│
(chiffre AES-GCM)
6.4 Exercices d'application
Un canal ADSL a une bande passante de 1 MHz et un SNR de 30 dB.
- Calculer la capacite theorique du canal
- Quelle efficacite spectrale peut-on esperer ?
Solution :
- SNR = 30 dB → SNR_lin = 10³ = 1000
C = 1×10⁶ × log₂(1001) ≈ 10 Mbps - η = C/B = 10 Mbps / 1 MHz = 10 bits/s/Hz
Un systeme utilise 64-QAM a 10 Msymboles/s.
- Combien de bits par symbole ?
- Quel est le debit binaire ?
- Quelle bande passante minimale (Nyquist) ?
Solution :
- log₂(64) = 6 bits/symbole
- Db = 10M × 6 = 60 Mbps
- B = Ds/2 = 10M/2 = 5 MHz
Communication UART 115200 bauds, 8N1.
- Combien de bits par trame ?
- Quel est le debit utile ?
- Temps de transmission pour 1 ko ?
Solution :
- 1 start + 8 data + 0 parity + 1 stop = 10 bits
- Efficacite = 8/10 → 115200 × 0.8 = 92160 bps = 11.52 ko/s
- t = 1024 / 11520 = 88.9 ms