SUPPORTS DE
TRANSMISSION
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Supports de transmission

Nous entendons par "Supports de transmission" tous les moyens par lesquels on peut conduire un signal de son lieu de production à sa destination avec le moins possible de déperditions, dispersions ou distorsions.

  • Câbles à paires métalliques.
  • Câbles coaxiaux - plus généralement à constantes de transmission caractérisées.
  • Fibres optiques.
  • Canaux hertziens - liaisons satellite -
  • Faisceaux infra-rouge.

Problématique des supports en général :

  1. Résistance physico-chimique au milieu ambiant,
  2. Adaptation aux conditions de pose : entre pilônes - câbles sous-marins -
  3. Perturbateurs externes - parasites - diaphonie -
  4. Bande passante du support adaptée ou non à celle du signal à transmettre.
  5. Distorsion du signal teminal de par les caractéristiques de transmission inadéquates du support par rapport au signal transposté.

Seuls les points 3 - 4 et 5 feront l'objet de notre étude.

 

Signaux

Chapitres traitant des signaux :

Types de signaux susceptibles d'être transmis :

signaux initialement analogiques : sons, vidéo, signaux industriels,
signaux initialement numériques : caractères d'écriture - fichiers graphiques -codes informatiques -

Les signaux analogiques peuvent être décomposés en séries de Fourrier.
Ils apparaissent alors comme des successions d'harmoniques purement sinusoïdales.
Toutes ces harmoniques ne sont pas toujours utiles pour reconstituer le signal initial.
Mais un certain nombre est toujours nécessaire.
L'ensemble des harmoniques à passer obligatoirement constitue la bande passante occupée par le signal

Les signaux analogiques peuvent être convertis en codes numériques.
Cette numérisation implique également les harmoniques utiles de fréquence élevée (Shanon)

Conclusion :

Le signal à transmettre occupe toujours une bande plus ou moins large de fréquences.
Si cette bande se trouve à l'intérieur de la bande passante du câble, le signal peut être transmis tel quel.
On dit alors que l'on transmet le signal en bande de base

Si la bande occupée par le signal est en dehors de la bande passante du câble,
dans certaines conditions que nous allons préciser, il est possible de modifier le signal,
de manière réversible, pour qu'il tombe dans la bande passante du câble.
L'opération s'appelle "modulation".
Il existe de très nombreux types de modulation que nous examinerons plus loin.

La modulation peut avoir une autre fonction : le multiplexage.
C'est le nom de toute technique permettant de faire passer simultanément sur un même support,
plusieurs signaux indépendants sans qu'ils interfèrent les uns sur les autres.
A l'arrivée, ces signaux sont récupérés grâce à l'opération inverse : le démultiplexage.

Les lignes, leurs perturbateurs, leurs distorsions en un seul dessin :

Perturbateurs

Les perturbations subies par une transmission sur un câble à conducteurs métalliques sont toujours d'origine électromagnétique.

Une onde électromagnétique est composé d'un champ électrique et d'un champ magnétique se propageant à la vitesse de la lumière.

Ses effets sont d'autant plus intenses que la fréquence de variation des courants électriques qui produisent l'onde est élevée : c'est le cas des étincelles produites par des appareils de soudure ou des collecteurs de moteurs électriques, pour ne cityer que deux exemples.

Ces champs se produisent également lors du démarrage des moteurs électriques car de très forts courants sont alors mis en jeu.

Des tensions plus ou moins fortes s'ajoutent alors au signal à transmettre et parviennent à la transformer.

Si le signal transmis est sonore, on entendra des craquements, de la "friture'.
Si le signal transmis est une vidéo : on verra des rayures et aussi des craquements dans le son.
Si le signal est numérique : certains bits peuvent changer d'état et fausser totalement le message.

Pour se protéger physiquement des perturbateurs :

  • antiparasiter les appareils producteurs de parasites (obligation légale aux constructeurs)
  • éloigner les passages de câbles des lieux parasités
  • utiliser des chemins de câble métalliques faisant office de cage de Faraday
  • utiliser des câbles blindés
  • utiliser des câbles coaxiaux
  • utiliser des câbles à paires torsadées
  • mettre en oeuvre le mode de transmission différentiel

 

PAIRES TORSADEES

La plupart des câbles de transmission de données entrent dans la catégorie dite "à paires torsadées"
Exemples : câbles UTP Unshielded Twisted Pair ou STP Shielded Twisted Pair

Ces câbles peuvent contenir une ou plusieurs paires de fils, chacune étant légèrement torsadée sur elle-même.

La figure ci-dessus illustre deux phénomènes concernant les paires torsadées.

  1. Les vecteurs induction créés par des torsades successives sont opposés donc s'annullent
    provoquant ainsi moins de perturbations électromagnétiques autour d'eux,
    donc moins de diaphonie.
  2. Les f.e.m. induites par un parasite agissant de la même manière sur une large surface,
    donc sur deux boucles successives présentant des de rotation opposés.
    Moins de sensibilité aux parasites.

Transmission différentielle

Cette méthode est souvent employée par les standards de transmission pour minimiser l'influence des parasites industriels.

Elle est basées sur le fait qu'un signal induit les mêmes tensions parasites P sur deux fils métalliques.
Si le signal est envoyé puis reçu par des amplificateurs différentiels, les signaux utiles s'ajoutent et les parasites se retranchent.

Le dessin parle de lui-même.

Diaphonie

La diaphonie est la transmission du signal entre paires isolées voisines par effet inductif et capacitif.

Le fait de torsader les paires diminue cet effet perturbateur (voir paires torsadées plus haut).

Elle peut atteindre des niveaux fortement perturbants si les câbles sont accidentellement comprimés ou posés à l'aide d'agrafes trop fortement martelées.

On mesure la diaphonie en injectant un signal de spectre fréquentiel et de tension normalisés sur l'entrémité d'une paire.
Puis en disposant un appareil de mesure (généralement gradué en dB) sur une extrémité d'un câble voisin.
Toutes les autres extrémités du câble doivent être fermées par des résistances égales à la résistance caractéristique des paires du câble. (50 ou 75 ou 100 Ohm suivant les câbles).
Comme on le voit sur la figure ci-dessous deux positions sont possibles pour l'appareil de mesure.
Elles aboutissent à deux valeurs généralement différentes :
la paradiaphonie et la télé ou ortho diaphonie.

Ces deux mesures permettent entre autre de localiser un défaut de pose par rapport aux deux extrémités.

 

LIGNES A CONSTANTES DE PROPAGATION ITERATIVES

Les conducteur central est complètement entouré du conducteur cylindrique externe
qui joue le rôle de "cage de Faraday" lorsqu'il est relié à un potentiel fixe par rapport à l'environnement.
Les parasites peuvent ainsi difficilement induire des courants dans l'espace inter-conducteur.

Une deuxième propriété du câble coaxial est, s'il est construit avec régularité, de posséder des constantes de capacité C et d'inductance L linéiques constantes. Donc une impédance caractéristique Zc constante.
L'impédance caractéristique d'un câble coaxial pour télévision est de 100 Ohm.

Ce dernier point lui confère des pertes inductives et capacitives minimales à condition que le générateur qui l'alimente (producteur des signaux) et le récepteur qu'il alimente (récepteur des signaux) aient une impédance interne de Thevenin identique à Zc (mesurées en Ohm).

Un autre type de câble à constantes réparties est le "twin lead" également utilisé en télévision (Allemagne) et en réception radiophonique Modulation de Fréquence pour relier l'antenne au récepteur.

L'impédance d'une ligne dépend des dimensions D et d ainsi que de la constante diélectrique du matériau constituant l'espace isolant qui sépare les deux conducteurs (diélectrique).

Toute déformation dûe par exemple à un défaut de pose ou à un choc, perturbe la continuité de l'impédance caractéristique et expose à des réflexions du signal en ligne pouvant entraîner des réflexions telles que des échos.

Il peut s'en suivre un régime d'ondes stationnaires produit par les interférences internes des ondes réfractées et réfléchies. Lorsque le taux d'onde stationnaire T.O.S. dépasse un certain seuil, il apparaît le long du câble des "noeuds" où le signal est très faible et des "ventres" où il est très fort.
Un équipement branché sur un noeud recueillera un signal très faible sinon nul.

Pertes diverses - Effet pelliculaire

Le signal circulant dans les conducteurs produit des champs électriques et magnétiques sur l'environnement.

L'isolant entre conducteurs, soumis à des champs électriques dont la fréquence est celle du signal peut, pour certaines valeurs de cette fréquence, être le siège d'oscillations de résonance moléculaires (effet semblable à ceux des misro-ondes) et produire de la chaleur : autant d'énergie perdue par le signal.
Cet effet s'appelle les pertes diélectriques du support.

Une autre perte : l'effet Joule - échauffement des conducteurs au passage du courant.
A priori on pense qu'il suffit de prendre un câble plus épais pour résoudre ce problème.
Il n'en est rien, car plus la fréquence du signal augmente, plus le courant abandonne le coeur du conducteur pour se concentrer sur une couche très mince de a périphérie. L'échauffement, donc les pertes peuvent être considérables. C'est l'effet pelliculaire (ou effet de peau)

F : fréquence
R : rayon
mu : perméabilité magnétique
rô : densité de charges

Si u > 6 l'effet pélliculaire devient très important

Pour amoindrir cet effet néfaste, on utilise des brins cuivre de fil très fins torsadés ensemble.
Fil dit "de Litz".

Atténuation - Bande passante

Un support de transmisssion atténue toujours tant soit peu le signal qu'il transmet.
Mais cette atténuation dépend souvent fortement de la fréquence dudit signal.

Le comportement le plus général d'un support de transmission est donné par la première courbe ci-dessous.
Cette courbe donne l'affaiblissement T du signal (rapport de la tension de sortie Us sur la tension d'entrée Ue) en fonction de la fréquence f du signal.

Ce support se comporte comme un filtre passe-bande dont il faut retenir la notion de Bande Passante à - 3 dB. Voir cours sur les décibels.
Retenez que -3 dB correspondent à un tranfert de puissance de 50% et à un affaiblissement de la tension égal à l'inverse à la racine carrée de 2. C'est un affaiblissement d'environ 30% en tension.

Les câbles métalliques se comportent le plus souvent comme des filtres passe-bas dont la courbe de transfert ressemble à celle du bas.

 

Distorsion harmonique

Comme toutes les fréquences ne sont généralement pas transmises avec la même amplitude, les composantes harmoniques du signal terminal diffèrent en valeur relative de la composition spectrale initiale du signal.

Le signal peut être déformé.

Ondes stationnaires T.O.S.

Ce phénomène apparaît lorsque des réflexions se produisent sur un suport de transmission, mettons par exemple à l'extrémité opposée au générateur de signal.



Ce peut être à cause d'un récepteur d'impédance non adaptée ou d'une extrémité laissée libre
c'est à dire sans résistance terminale.
Chaque point intermédiaire du câble reçoit l'onde directe et l'onde réfléchie.

Suivant la position du point par rapport aux extrémités il peut se produire trois cas.

  • Les deux signaux arrivent en phase : le signal résultatnt est amplifié à cet endroit alors appelé "ventre".
  • Les deux signaux arrivent en contrephase : ils s'annullent, ou plus généralement ils se retranchent l'un l'autre faisant apparaître un signal résultant faible appelé "noeud".
  • Cas intermédiaire où la valeur du signal résultant se situe entre celle des noeuds et celle des ventres.

Le câble est alors une succession de noeuds et de ventres à des endroits fixes.
C'est pourquoi on appelle cette disposition un état d'ondes stationnaires.
Le rapport d'intensité de signal entre noeuds et ventres s'appelle le taux d'onde stationnaire T.O.S.
Il peut être mesuré par un TOSmètre.

Tout branchement d'une station en un point intermédiaire aura un résultat très aléatroire sans parler des échos
qui peuvent se manifester de plusieurs manières, toujours perturbantes.
Par exemple, en télévision, les échos font apparaître des images parasites qui se reproduisent à l'identique de gauche à droite avec un léger affaiblissement de l'une à l'autre, comme un motif de papier peint.


 
  
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