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LE SUPPORT D'INTERCONNEXION 

 

Les réseaux utilisent des supports d'interconnexion très variés : depuis les fils métalliques les plus divers jusqu'aux faisceaux hertziens en passant par la fibre optique. Nous allons donner les principales caractéristiques de ces différents supports.

6. 1. LES FILS METALLIQUES TELEPHONIQUES

Les abonnés sont reliés à l'autocommutateur local par de simples paires de fils métalliques dont les diamètres sont compris entre 0,4 et 1 mm. Ces fils sont en cuivre ou quelquefois en aluminium. Des liaisons composées de 4 fils de qualité ordinaire relient les autocommutateurs locaux aux autocommutateurs à autonomie d'acheminement. Les fils des différentes paires (1 ou 2) sont isolés les uns des autres par du plastique et enfermés dans des câbles. Plusieurs milliers de paires peuvent ainsi être tirées en zone urbaine. En zone rurale, les fils nus sur des poteaux sont remplacés par des câbles portés ou enterrés. Le principal inconvénient des fils métalliques téléphoniques est un affaiblissement important d'autant plus important que le diamètre est faible. En particulier dans les entreprises, le câblage a été prévu pour le transport d'un signal analogique occupant une bande de fréquence de 4000 Hz. Il est effectué avec des paires métalliques très fines qui, actuellement, forment un frein au passage d'un débit numérique de plus de 64 kbit/s. En zone rurale, l'affaiblissement maximum admissible est rapidement atteint et il faut ajouter régulièrement des régénérateurs du signal. La solution la plus simple consiste à insérer à intervalles parfaitement réguliers une inductance qui amplifie le signal. Cette inductance se comporte comme un filtre passe-bas qui limite la largeur de la bande. L'inductance ou bobine de charge est encore appelée bobine de Pupin, de l'inventeur de cette technique. On dit que la ligne est « pupinisée ». Cette solution est remplacée aujourd'hui par les systèmes à courant porteur. Les débits permis par les liaisons téléphoniques sont les suivants :

--  liaison deux fils en mode duplex : jusqu'à 2400 bit/s,

--  liaison deux fils à l'alternat : jusqu'à 4800 bit/s,

--  liaison quatre fils de qualité normale en duplex : Jusqu'à 4800 bit/s,

--  liaison quatre fils de qualité supérieure en duplex : jusqu'à 9600 bit/s.

Figure 6. 1. : Gabarit de la distorsion d'affaiblissement pour une liaison spécialisée téléphonique de qualité normale à terminaisons 2 fils.


Figure 6. 2. : Gabarit de la distorsion d'affaiblissement pour une liaison spécialisée téléphonique de qualité normale à terminaisons 4 fils.

Figure 6.3. : Gabarit de la distorsion d'affaiblissement pour une liaison spécialisée téléphonique à terminaisons 4 fils de qualité supérieure.

Sur des distances relativement courtes de quelques dizaines de kilomètres, par un service en bande de base on atteint 72 kbit/s. Si l'on se limite à une distance de 1 km le débit peut atteindre 1 Mbit/s. Si l'on se limite à quelques centaines de mètres, les débits possibles continuent à augmenter. A l'extrême sur les bus d'ordinateurs plusieurs dizaines de Mbit/s peuvent être obtenues facilement. Pour les réseaux locaux d'entreprise, où les distances sont limitées à quelques kilomètres, un support en fil métallique du type paire torsadée peut être suffisant. Les avantages sont nombreux : technique très bien connue, facilité de connexion, ajout de nouvelles entrées sans problème, coût faible... Les gabarits limites (affaiblissement en fonction de la fréquence) des lignes, 2 fils et 4 fils de qualité normale et qualité supérieure sont présentés dans les figures 6.1, 6.2 et 6.3. Dans certains cas, il est possible d'utiliser des lignes multipoints (cf fig. 6.4). Plusieurs utilisateurs sont connectés un par un par une chaîne de liaison. La taxation tient compte du gain de circuits et ceci permet d'offrir au public des tarifs intéressants.

Figure 6.4. : Ligne multipoint.

6. 2. LES CÂBLES COAXIAUX

Pour éviter les perturbations dues aux bruits externes on utilise de plus en plus souvent deux conducteurs cylindriques de même axe, séparés par un isolant que l'on appelle le câble coaxial. On peut montrer que le rapport entre les diamètres des deux conducteurs doit être de 3,6. Les différents câbles sont désignés par des diamètres utilisés en mm; les deux plus courants sont le 2,6/9,5 et le 1,2/4,4. Des amplificateurs doivent être disposés tous les 4,5 km et 3 km respectivement pour les deux exemples donnés. Ces câbles coaxiaux sont principalement utilisés par les PTT pour multiplexer des voies téléphoniques : on transmet en parallèle plusieurs communications téléphoniques, chacune d'elles se voyant allouer une plage de fréquence disponible. Une voie téléphonique demande une largeur de bande de 3100 Hz. On appelle groupe primaire de base la réunion de 12 voies téléphoniques; groupe secondaire, la réunion de cinq groupes primaires; groupe tertiaire, la réunion de cinq groupes secondaires; groupe quaternaire, la réunion de trois groupes tertiaires. Un groupe quaternaire est équivalent à 900 voies téléphoniques. Les câbles coaxiaux permettent le transport de 1 à 15 groupes quaternaires. Le débit binaire que peut transporter les câbles coaxiaux peut atteindre 25 Mbit/s sur de longues distances. De même que pour les paires de fils métalliques, un câble coaxial utilisé sur une faible distance (1 km environ) peut permettre des débits allant jusqu'à 100 Mbit/s.

Une application importante du câble coaxial s'est développée pour la transmission de chaînes de télévision par câble, elle est communément appelée CATV (Community Antenna TeleVision). L'industrie du CATV est particulièrement importante aux Etats-Unis et dans les pays possédant des réseaux câblés. Les fréquences classiques transportées par les câbles CATV sont compris entre 5 kHz et 300 MHz et on atteint facilement 450 MHz. Dans la télévision par câble, des transmissions analogiques sont utilisées pour l'acheminement des programmes. En moyenne, on demande à un câble de transmettre 30 programmes de télévision couleur avec un minimum de distorsion. Cette industrie est très prospère, des millions de kilomètres de câble ont été vendus. Le prix de revient du câble CATV est relativement faible : à partir de 5 F le mètre. Les câbles CATV sont très utilisés pour les réseaux numériques. Ils ont de très nombreux avantages :

--  utilisation d'une technique robuste, éprouvée, répondant à des normes strictes et pouvant travailler dans des environnements difficiles;

--  une large bande passante comme nous venons de le voir, qui peut atteindre et même dépasser 500 MHz;

--  la disponibilité commerciale d'appareils audio, vidéo, de transmission de données et UHF, VHF pouvant être directement connectés dessus;

--  l'expérience acquise sur de nombreux réseaux de télédistribution;

--  des réparations faciles en cas de coupure;

--  la possibilité de connecter des équipements sur le câble sans problème par l'intermédiaire de prise robinet ou de prise en T.

Les prises robinets sont vissées sur le câble et peuvent être mises sans même interrompre les transmissions en cours. Elles peuvent être enlevées et replacées ailleurs. Pour mettre des prises en T, il faut couper le câble et insérer le T. L'équipement utilisateur est connecté sur la partie basse du T. Le procédé offre plus de sécurité pour la bonne marche du câble mais demande une connaissance a priori des points de connexion. Le câble CATV présente aussi quelques défauts :

--  la nécessité d'utiliser des modems,

--  les protocoles &accès au câble sont souvent plus compliqués,

--  l'hétérogénéité des matériels et des modulations à transmettre empêche une intégration de l'ensemble.

Figure 6.5. : Les prises pour le câble coaxial.

6. 3. LES FIBRES OPTIQUES

6. 3. 1. Caractéristiques générales

Il a fallu attendre le début des années 60 et l'invention du laser pour que l'attitude des transmetteurs à l'égard de l'optique se modifie. Le laser permet de générer un faisceau lumineux parfaitement monochromatique très directif, stable en amplitude et en fréquence. A partir de cette découverte, il a fallu développer des systèmes pour guider la lumière dans un milieu de propagation protégé, avec un minimum d'atténuation. C'est vers 1972 que sont apparues les premières fibres optiques.

Les avantages de la fibre optique sont nombreux. Le diamètre extérieur est de l'ordre de 1/10 de mm et son poids de quelques grammes au kilomètre. Cette réduction de taille et de poids la rend facilement utilisable. Autre avantage technique: la largeur de la bande passante utilisée (1 GHz pour 1 km) qui permet le multiplexage sur un même support de très nombreux canaux de télévision, de hifi, de téléphone, etc. La faible atténuation des fibres conduit par ailleurs à envisager un espacement plus important des points de régénération des signaux transmis. En effet, pour un système à 140 Mbit/s une fibre optique, utilisée à une longueur d'onde de 0,85 mm et présentant un affaiblissement de 3 dB/km, permet un pas de régénération de 15 km. La même fibre utilisée à 1,3 mm où l'atténuation n'est plus alors que de 0,7 dB/km, détermine un pas de régénération de 500 km. A titre de comparaison le câble coaxial en cuivre Paris-Lyon utilisé à 60 MHz possède des répéteurs tous les 2 km. Lorsque l'on connaît les inconvénients que présentent les amplificateurs régénérateurs intermédiaires sur une ligne de transmission, on comprend l'importance de cet aspect technique pour les Télécommunications. L'insensibilité des fibres aux parasites électromagnétiques constitue de surcroît pour la transmission de données un avantage particulier, dans la mesure où elle leur permettra de supporter sans difficulté la proximité d'émetteurs radioélectriques. Les émetteurs de lumière utilisés dans les systèmes de transmission sur fibres sont de deux types :

--  les diodes électroluminescentes qui ne comportent pas de cavité laser

--  les diodes lasers.

Quant aux détecteurs de lumière ou photodétecteurs qui assurent la conversion de la lumière en un courant électrique, ils sont également divisés en deux types :

- les photodétecteurs classiques

- les photodétecteurs à avalanche.

Il faut noter le faible encombrement de ces composants d'extrémité. Ainsi, un photodétecteur, avec l'électronique associée, n'est pas plus gros qu'une boîte d'allumettes, petit modèle ! Le principal inconvénient réside dans l'utilisation de diode laser qui reste un composant délicat.

6. 3. 2. Les différents types de fibres optiques

Pour expliquer de manière approchée le fonctionnement des fibres optiques, on se réfère généralement au principe de la réflexion totale en optique géométrique. Lorsqu'un rayon lumineux qui se propage dans un milieu d'indice de référence n1 vient frapper la surface plane de séparation avec un autre milieu d'indice de référence n2 le rayon réfracté se rapproche de la normale au point d'incidence selon la loi de Descartes,

n1 sin F1 = n2 sin F2

Pour chaque milieu d'indice n donné, il existe un angle limite F Lim à partir duquel il n'y a plus réfraction, mais réflexion totale du rayon lumineux. Ce principe est utilisé dans la fabrication des fibres optiques pour « emprisonner » le rayon lumineux à transporter. En simplifiant on peut dire qu'une fibre optique est constituée d'un fil circulaire (le coeur) d'indice de réfraction ni qui jouera le rôle de guide d'onde, et d'une gaine cylindrique d'indice n2 avec n2 < nl.

Les fibres optiques sont caractérisées par les dimensions du coeur et de la gaine ainsi que par les variations de l'indice de réfraction à l'intérieur du coeur. Les différents chemins que peut emprunter un rayon lumineux qui se propage à travers le coeur de la fibre sont appelés « modes de propagation » et l'on distingue, d'après ce critère, deux catégories de fibres optiques : les fibres monomodes et les fibres multimodes.

A. Les fibres optiques monomodes

Le schéma ci-dessous montre que seuls les rayons ayant une trajectoire suivant l'axe de la fibre peuvent être transmis, ce qui leur vaut le nom de monomode.

Figure 6. 6. : Section d'une fibre monomode.

Ce sont des fibres dans lesquelles le diamètre du coeur est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde des signaux optiques à transmettre, soit environ 5 à 8 mm. Si le coeur est constitué d'un matériau dont l'indice de réfraction est très nettement différent de celui de la gaine, on parle alors de fibres monomodes à saut. Nous faisons ici un léger abus de classification en présentant les fibres monomodes comme étant implicitement à « saut d'indice », car on pourrait concevoir une fibre monomode à « gradient d'indice », c'est-à-dire dont l'indice de réfraction du coeur est variable du centre jusqu'à la gaine.

Les très hauts débits que l'on peut atteindre constituent le principal avantage des fibres monomodes car leurs petites dimensions les rendent d'un maniement délicat et entraînent des difficultés de connexion encore mal maîtrisées. Par ailleurs, pour pouvoir injecter suffisamment de lumière dans la faible section du coeur, ces fibres nécessitent généralement l'utilisation de lasers.

En effet bien que les potentialités de ces fibres apparaissent idéales pour des liaisons longue distance à très haut débit, comment injecter un signal lumineux suffisamment puissant à l'intérieur d'une section de 5 mm. Le laser semble être la meilleure solution dans la mesure où il serait directement connectable à la fibre en fournissant un faisceau étroit de lumière intense. À ce sujet un type de laser particulièrement intéressant est le laser à semiconducteur dont nous reparlerons à propos des équipements d'émission et de réception.

B Les fibres multimodes

Contrairement aux fibres monomodes, le diamètre du coeur est grand par rapport à la longueur d'onde à transmettre. Les fibres multimodes se répartissent en deux catégories suivant l'agencement des indices de réfraction des matériaux qui les constituent.

1) Les fibres à saut d'indice

Dans ces fibres, le coeur est constitué d'un matériau uniforme dont l'indice de réfraction est nettement supérieur à celui de la gaine qui l'entoure. Le passage du coeur vers la gaine entraîne donc une variation brutale de l'indice, d'où le nom de fibre à « saut d'indice ».

Figure 6. 7. : Saut d'indice. Gradient d'indice.

Si l'on considère un rayon lumineux qui se propage en suivant l'axe de la fibre et un rayon lumineux qui doit effectuer des réflexions successives, il va de soi qu'à l'arrivée ce second signal accusera un retard, retard d'autant plus sensible que la fibre sera longue. Cette dispersion est la principale limitation des fibres multimodes à saut d'indice. Leur utilisation est souvent limitée à la transmission d'informations sur de courtes distances, quelques dizaines de mètres, et à des débits peu élevés.

Les fibres à saut d'indice sont fabriquées à base de verre d'atténuation 30 dB/km ou en plastique d'atténuation 100 dB/km, leur principal avantage étant leur prix très économique.

2) Les fibres à gradient d'indice

Elles permettent de réduire la dispersion entre les différents modes que nous avons signalés à propos des fibres à saut d'indice. Leur principe est que l'indice de réfraction à l'intérieur du coeur n'est pas unique et décroît lorsqu'on se déplace du coeur vers la gaine. Les rayons lumineux se trouvent focalisés vers l'axe de la fibre comme on peut le voir sur la figure 6.7.

6. 4. LES ONDES

Contrairement aux techniques précédentes il n'y a pas de support physique. Les ondes radioélectriques correspondent à des fréquences comprises entre 10 kHz et 500 kHz. Ces ondes sont diffusées, c'est-à-dire que d'un émetteur on peut les transmettre à des récepteurs dispersés géographiquement. Pour la transmission de données la qualité des émissions est faible. Au-dessus de 500 kHz et jusqu'à 20 GHz on trouve les faisceaux hertziens. A la différence des ondes radioélectriques l'émission est très directive. Ces faisceaux sont utilisés en particulier dans les transmissions par satellite. Les bandes de fréquence étant très larges, ils permettent de très grands débits. Enfin, au-dessus de 20 GHz on trouve les guides d'ondes. Ils sont formés par un tube bobiné dans lequel se propage l'onde électromagnétique. Les guides d'ondes permettent de très hauts débits mais leur mise au point s'avère difficile. On emploie les appellations suivantes :

L'attribution de telle ou telle bande de fréquences (ou longueurs d'onde) à tel ou tel service exploitant est faite en tenant compte de la situation existante, du désir de contenter tout le monde et de réserver les longueurs d'onde les mieux appropriées à l'utilisation envisagée. Les grandes lignes de la répartition des ondes sont les suivantes :

            de        10        kHz à 160       kHz     communications radiotélégraphiques

            de        160      kHz à 255       kHz     radiodiffusion (grandes ondes)

            de        255      kHz à 525       kHz     communications radiotélégraphiques

            de        225      kHz à 1 605    kHz     radiodiffusion

            de        1605    kHz à 5 950    kHz     radiotéléphonie

            de        29,7     MHz à 41        MHz    radiotéléphonie

            de        41        MHz à 68        MHz:   télévision

            de        68        MHz à 87,5     MHz :  liaisons radiotéléphoniques en modulation de fréquence

            de        87,5     MHz à 100      MHz:   radiodiffusion

            de        100      MHz à 162      MHz:   liaisons radiotéléphoniques

            de        162      MHz à 216      MHz:   télévision

            de        216      MHz à 470      MHz:   radiotéléphonie

            de        470      MHz à 860      MHz    télévision et radar

            de        860      MHz à 960      MHz    faisceaux

            au-dessus de               960      MHz    on trouve un partage très compliqué entre

                                                                       radiotéléphonie, transmission par faisceaux hertziens,

                                                                       radars, communication par satellite, etc..

En particulier les gammes de fréquence :

3,4 GHz à 4,2 GHz et 7,25 à 7,75 GHz : télécommunications dans le sens satellite-terre,

5,725 GHz à 6,425 GHz et 7,9 GHz à 8,4 GHz : télécommunications dans le sens terre-satellite.

Précisons un peu les caractéristiques de ces voies de transmission. Les transmissions de données par ondes radioélectriques, c'est-à-dire jusqu'aux environs de 500 MHz, n'existent pratiquement pas. En effet le taux d'erreurs est très fort. Quelques expériences aux Etats-Unis et en France ont montré que l'on ne pouvait guère dépasser des débits de 20 kbit/s. Par contre les faisceaux hertziens peuvent procurer de très hauts débits. Ils véhiculent une information d'un expéditeur unique à un destinataire unique. La directivité du rayonnement exigée pour concentrer l'énergie et la large bande passante du signal ont conduit à n'utiliser pour les liaisons hertziennes que des fréquences supérieures à 0,8 GHz. De telles ondes se propagent comme des rayons lumineux. La courbure de la terre faisant obstacle, même en l'absence de tout relief il faut disposer de relais tous les 100 km en moyenne.

Pour les longueurs d'onde inférieures au centimètre (supérieures à 30 GHz) les gouttes d'eau de l'atmosphère forment un barrage et il faut utiliser des guides d'ondes. Le principe du guide d'ondes est le suivant : le signal est rayonné par une petite antenne, comme par un émetteur, à l'intérieur d'un conduit métallique qui guide les ondes électromagnétiques, et les amène jusqu'au récepteur. Le guide se présente généralement sous la forme d'un tuyau constitué par un fil de cuivre isolé bobiné en hélice à spires jointives. La bande passante utilisable est supérieure à 50 GHz, ce qui peut permettre pour une artère un débit binaire de dix fois supérieur à celui permis par les faisceaux hertziens.

Malheureusement, des difficultés techniques existent encore. La plus importante provient du fait qu'un guide d'ondes circulaire ne supporte pas de courbure.

Les études actuellement menées dans le monde visent l'utilisation d'artères par guide d'ondes pouvant transmettre dans les 500 000 voies téléphoniques.

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Révisé le :23-Sep-2007| ©2007 www.technologuepro.com