Transporter de l'information avec un signal lumineux ou sonore

Un signal est un phénomène physique (variation de tension électrique, onde sonore, impulsion lumineuse, etc.) qui est modifié ou modulé pour transporter une information. En d'autres termes, c'est ce qui voyage d'un point à un autre pour nous dire quelque chose.

Exemples de signaux :

• Sonore : la voix humaine, la musique, une sirène.
• Lumineux : la lumière d'un phare, les signaux d'un feu de circulation, la lumière d'une fibre optique.
• Électrique : le courant dans un fil téléphonique, les ondes radio.

Le rôle principal d'un signal est de transmettre une information d'un émetteur vers un récepteur.

L'information est une donnée, un message, une connaissance que l'on souhaite partager. La communication est le processus par lequel cette information est échangée.

Le processus de communication se compose généralement de :

• Un émetteur : celui qui envoie l'information (ex: une personne qui parle, une antenne radio).
• Un message : l'information à transmettre.
• Un signal : le support physique du message.
• Un récepteur : celui qui reçoit l'information (ex: une oreille, une radio).
• Un canal de transmission : le chemin emprunté par le signal (ex: l'air, un câble).

L'importance de la transmission fiable est capitale : si le signal est dégradé ou perdu, l'information ne peut pas être correctement reçue ou comprise.

Il existe principalement deux grandes catégories de signaux :

1. Signaux analogiques :

   • Représentent l'information de manière continue, comme une onde fluide.
   • La valeur du signal peut varier de manière continue dans le temps (ex: la voix humaine, la lumière d'une ampoule dont on fait varier l'intensité).
   • Avantages : Représentation très fidèle de l'information originale.
   • Inconvénients : Très sensibles au bruit et aux interférences, ce qui peut dégrader la qualité du signal lors de longues transmissions.

2. Signaux numériques :

   • Représentent l'information sous forme de valeurs discrètes, souvent des "0" et des "1" (code binaire).
   • Le signal est échantillonné et quantifié.
   • Avantages : Très résistants au bruit et aux interférences. Faciles à stocker, à copier et à traiter par des ordinateurs sans perte de qualité.
   • Inconvénients : Nécessitent une conversion (analogique vers numérique à l'émission, numérique vers analogique à la réception), ce qui peut introduire une petite perte d'information au départ.

Un son est produit par la vibration d'un objet. Lorsqu'un objet vibre, il met en mouvement les particules du milieu qui l'entoure (généralement l'air), créant ainsi une onde sonore. L'objet qui vibre est appelé source sonore.

• Exemple : Les cordes d'une guitare vibrent, le cône d'un haut-parleur vibre.
• La fréquence d'un son correspond au nombre d'oscillations par seconde (exprimée en Hertz, Hz). Elle détermine la hauteur du son :
  • ==Haute fréquence = son aigu==
  • Basse fréquence = son grave

Le son est une onde mécanique : il a besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gaz) pour se propager. Il ne peut pas se propager dans le vide.

• Vitesse du son : Elle dépend du milieu.
  • Dans l'air (à 20°C) : environ $340 \text{ m/s}$
  • Dans l'eau : environ $1500 \text{ m/s}$
  • Dans l'acier : environ $5000 \text{ m/s}$
  • Plus le milieu est dense et rigide, plus la vitesse du son est élevée.

Outre la hauteur (fréquence), un son est caractérisé par :

• L'intensité sonore : Liée à l'amplitude de l'onde sonore. Elle correspond à la "force" du son. Une grande amplitude signifie un son fort, une petite amplitude un son faible.
• Le niveau sonore : Mesuré en décibels (dB). C'est une échelle logarithmique qui permet de quantifier l'intensité perçue par l'oreille humaine. Un niveau sonore élevé peut être dangereux pour l'audition.
• Le timbre du son : C'est ce qui permet de distinguer deux instruments de musique jouant la même note à la même intensité. Il est lié à la forme de l'onde sonore et à la présence d'harmoniques.

Les signaux sonores sont utilisés dans de nombreuses applications pour transporter de l'information :

• Téléphone : conversion de la voix en signal électrique, puis transmission et reconversion.
• Échographie : utilisation d'ultrasons (sons de très haute fréquence inaudibles) pour "voir" à l'intérieur du corps humain.
• Sonar : utilisation d'ondes sonores pour détecter des objets sous l'eau (sous-marins, fonds marins).

La lumière est une onde électromagnétique qui n'a pas besoin de milieu matériel pour se propager (elle se propage dans le vide).

• Sources primaires : objets qui produisent leur propre lumière (ex: le Soleil, une flamme de bougie, une lampe allumée, une luciole).
• Sources secondaires : objets qui diffusent la lumière qu'ils reçoivent d'une source primaire (ex: la Lune, un livre, un mur).
• La lumière blanche est composée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel (son spectre). On peut la décomposer avec un prisme.

La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent. C'est la propagation rectiligne de la lumière.

• Vitesse de la lumière : C'est la vitesse maximale possible dans l'univers.

  • Dans le vide : $c \approx 300\,000 \text{ km/s}$ (ou $3 \times 10^8 \text{ m/s}$).
  • Elle est plus faible dans les milieux matériels (eau, verre).

• Milieux :

  • Transparents : laissent passer la lumière sans la dévier (ex: air, verre, eau claire). On voit distinctement à travers.
  • Translucides : laissent passer la lumière mais la diffusent (ex: verre dépoli, papier calque). On ne voit pas distinctement à travers.
  • Opaques : ne laissent pas passer la lumière (ex: bois, métal, mur).

Lorsque la lumière rencontre un obstacle ou change de milieu, elle peut subir différents phénomènes :

• Réflexion : La lumière rebondit sur une surface (ex: miroir). L'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion.
• Réfraction : La lumière change de direction en traversant la surface de séparation de deux milieux transparents différents (ex: un crayon plongé dans l'eau semble brisé).
• Diffusion : La lumière est renvoyée dans toutes les directions par une surface rugueuse ou des particules (ex: le ciel bleu est dû à la diffusion de la lumière solaire par l'atmosphère).

Notre perception des couleurs est complexe :

• Synthèse additive des couleurs : Mélange de lumières colorées. Les couleurs primaires additives sont le rouge, le vert et le bleu (RVB). Leur addition donne du blanc. C'est ce qui est utilisé dans les écrans.
• Synthèse soustractive des couleurs : Mélange de pigments ou d'encres. Les couleurs primaires soustractives sont le cyan, le magenta et le jaune (CMJ). Leur addition donne du noir (théoriquement). C'est ce qui est utilisé en imprimerie.
• Perception des couleurs par l'œil : L'œil humain contient des cellules (cônes) sensibles aux couleurs rouge, vert et bleu. Le cerveau interprète les signaux reçus pour créer notre perception de toutes les couleurs.

Les fibres optiques sont des fils très fins, généralement en verre ou en plastique, qui permettent de transporter la lumière sur de longues distances.

• Principe de fonctionnement : La lumière est guidée à l'intérieur de la fibre grâce au phénomène de réflexion totale interne. Lorsque la lumière frappe la paroi de la fibre avec un angle suffisant, elle est entièrement réfléchie vers l'intérieur, restant ainsi "piégée" dans la fibre.

• Composition d'une fibre optique :

  • Un cœur (en verre pur) où la lumière se propage.
  • Une gaine optique (en verre d'indice de réfraction légèrement inférieur) qui provoque la réflexion totale interne.
  • Une gaine de protection (en plastique) pour protéger la fibre.

• Avantages :

  • Débit très élevé : peuvent transporter une énorme quantité d'informations (Internet très haut débit).
  • Longue distance : peu de perte de signal sur de grandes distances.
  • Immunité aux perturbations électromagnétiques : la lumière n'est pas affectée par les interférences électriques ou radio.

Les fibres optiques ont révolutionné la transmission d'information :

• Internet haut débit : Elles constituent l'épine dorsale du réseau Internet mondial et sont déployées pour la fibre à domicile (FTTH).
• Télécommunications : Remplacent les câbles en cuivre pour les appels téléphoniques et la transmission de données.
• Endoscopie médicale : Utilisées pour éclairer et visualiser l'intérieur du corps humain sans chirurgie invasive.

D'autres technologies utilisent la lumière pour transmettre des informations :

• Liaisons infrarouges : Utilisées pour la communication courte distance sans fil (ex: télécommandes de télévision, certains casques audio sans fil).
• Liaisons laser : Des faisceaux laser peuvent être utilisés pour des communications à très longue distance, notamment dans l'espace ou pour des liaisons terrestres point à point.
• LED pour l'affichage et l'éclairage : Les diodes électroluminescentes (LED) peuvent être modulées pour transmettre des données (technologie Li-Fi pour l'Internet par la lumière).

Le choix entre un signal sonore et un signal lumineux (ou électrique) dépend des critères spécifiques de l'application :

• Distance de transmission :
  • Courte distance (quelques mètres) : Sonore (voix), infrarouge (télécommande).
  • Longue distance (plusieurs kilomètres) : Fibre optique (Internet), ondes radio.
• Débit d'information requis :
  • Faible débit : Sonore (parler).
  • Très haut débit : Fibre optique.
• Environnement de transmission :
  • Présence d'obstacles, de bruit, d'interférences.
  • Besoin de traverser des milieux spécifiques (eau pour le sonar).

Les signaux sont souvent complémentaires. Par exemple, votre voix (sonore) est convertie en signal électrique, puis en signal lumineux pour être transmise par fibre optique sur de longues distances, et enfin reconvertie en son à l'arrivée. La technologie moderne combine souvent plusieurs types de signaux pour optimiser la communication.