AFTT Genève Introduction à la téléphonie analogique

AFTT Genève Introduction à la téléphonie analogique
Cours AFTT donné le 18 novembre 2006

Introduction à la téléphonie analogique.
Objectif: Donner, en une après-midi de cours, des notions techniques sur la téléphonie analogique afin de permettre aux participants de comprendre et d'interpréter les observations, les comportements et les mesures d'une ligne de téléphone lors de son montage (ou lors d’un dépannage). Pré requis: Notions scolaires d'électricité. Jean-René Bollier AFTT Genève

Programme du cours Notions d'électricité
tension, courant, résistance, courant continu et alternatif, sinusoïde. loi d'Ohm condensateur, self-induction, translateur. L'appareil téléphonique analogique écouteur, microphone, organe de sélection, sonnerie. batterie locale vs. batterie centrale. fourchette, antilocal, adaptation de niveau. téléphone civil, de campagne, Stanophone. La ligne d'abonné circuits au central civil: d'abonné et de cordon. composantes électriques continues et alternatives, ligne occupée ou libre. polarité, symétrie, résistance, impédance, terre, courant de boucle, terminaison, impédance caractéristique. phénomènes d'atténuation, d'écho, de ronflette, de crachotements. pourquoi torsader? Jean-René Bollier AFTT Genève

Programme du cours (suite)
Interprétations et déductions des observations conditions pour établir ou terminer une liaison outils disponibles: app. téléphone civil, Stanophone ou téléphone de campagne, multimètre autres outils non disponibles pour nous (impédance mètre, diagnostiqueur) Expériences pratiques Mesure d'une ligne libre, occupée, en court-circuit. Effets de pannes rupture d'une âme résistance parasite série, parallèle Fusibles de protection. Jean-René Bollier AFTT Genève

Notions d'électricité Une tension (U) se mesure entre deux points d'un circuit, en parallèle. Elle s'exprime en VOLTs [V]. Un bon voltmètre a une grande résistance propre de manière à influencer le moins possible le circuit mesuré. Galvanomètre Rs Voltmètre Rs très grand Un courant (I) se mesure en interrompant un circuit et en incérant un appareil en série de manière à rétablir le circuit au travers de l'ampèremètre. Il s'exprime en AMPÈREs [A]. Un bon ampèremètre présente une résistance propres très faible de manière à influence le moins possible le circuit mesuré. Ampèremètre Rp très petit Galvanomètre Rp Shunt Jean-René Bollier AFTT Genève

Notions d'électricité (suite)
La résistance (R) est la grandeur qui exprime la faculté d'un corps de s'opposer au passage de l'électricité. Elle s'exprime en Ohms [Ω]. Elle se mesure au moyen d'un Ohmmètre, en parallèle, aux bornes de l’objet à mesurer. Attention: bien s'assurer qu'aucune tension n'est présente, cela pourrait endommager l'ohmmètre et de toute façon fausser la mesure. Un ohmmètre est un ensemble consistant en un afficheur (numérique, galvanomètre), d'une source de courant (pile) et d'un élément d'étalonnage. La mesure consiste à appliquer une tension connue aux bornes de l’objet à mesurer et à mesurer le courant qui le traverse. La résistance est inversement proportionnelle à ce courant. Avant de se servir d'un ohmmètre analogique (ancien), il faut ajuster le zéro (affichage = 0 Ohms) en courtcircuitant les câbles. Galvanomètre Rs Ohmmètre Rs ajustable Jean-René Bollier AFTT Genève

Un courant (ou une tension) continu ne varie pas dans le temps. Il (elle) se mesure sur la position "continu" (ou "DC") d'un appareil. Un courant (ou une tension) alternatif varie en permanence ("AC"). Cette variation peut être régulière ou aléatoire. Lorsqu'elle est régulière, elle est caractérisée par sa fréquence (Hertz ou cycles par seconde) et son niveau (courant ou tension alternatif). La tension peut s'exprimer soit en Volts, soit en dB. Elle se réfère toujours à d'autres paramètres complémentaires (impédance). Une fréquence est mesurée avec un fréquencemètre et s'exprime en Hertz ou cycles par seconde. En téléphonie analogique les fréquences ne dépassent pas 3’600 Hz. Exemples: - le réseau d'alimentation est alternatif. En Europe sa fréquence est - l'alimentation du réseau TPG est en continu, sa tension est 50Hz 600V Jean-René Bollier AFTT Genève

L'impédance (Z) est la caractéristique de s'opposer au passage d'un courant alternatif. Elle s'exprime en Ohms [Ω] et est mesurée au moyen d'un impédancemètre. La notion d'impédance ne s'applique qu'à une forme de signal "sinusoïdal". Une tension sinusoïdale pure ne comporte qu'une composante fondamentale à l'exclusion d'harmoniques. Le son d'une flûte est proche d'une sinusoïde. La voix n'est jamais sinusoïdale. Une note de musique est caractérisée par sa fondamentale et l'ensemble de ses harmoniques. y=sin(x) y=sin(x)+0.5sin(3x+0,7) Jean-René Bollier AFTT Genève

La fréquence (Hz) s’exprime par le nombre d’oscillations par seconde. Sa grandeur est exprimée en Hertz (anciennement en cycles par seconde). La longueur d’onde () est la valeur inverse de la fréquence, compte tenu de la constante représentée par la vitesse de propagation (célérité) dans un milieu donné. La célérité (C) est la vitesse de propagation d’une onde ou du courant électrique dans un conducteur. Dans le vide la célérité d’une onde (electromagnétique) est de l’ordre de 300’000 Km/s, dans l’air, la célérité d’une onde preumatique (son) est de l’ordre de 300 m/s. Exemple: dans l’air ou dans le vide une onde de 1’000 KHz a une longueur d’onde de 300 m Jean-René Bollier AFTT Genève

Quels sont les rapports entre tension (U), courant (I) et résistance (R)? Exemple: pour une tension (U) donnée, plus Rtot est grand, plus I est petit. U = R  I R1 = de 0Ω à 10Ω I = U/R R2 = 10Ω U = 3V I Jean-René Bollier AFTT Genève

Instruments de mesure Le multimètre Peut mesurer les volts (DC et AC), les ampères (DC) parfois AC, les Ohms et parfois d'autres grandeurs encore. Il affiche soit avec une aiguille (cadre mobile, analogique), soit avec des chiffres (numérique ou digital). Chaque système a son avantage. Avantages/inconvénients L'ordre de grandeur (range) est manuel ou automatique. En manuel, toujours commencer par l’ordre de grandeur max et descendre. La mesure de grandeurs alternatives n'est pas simple. Il se réfère à la quantité (V ou A) équivalente en continu (val. efficace). Attention lorsqu’il s’agit de DC et AC superposés. Tous les multimètres numériques et les analogiques à amplificateur ont une résistance interne élevée. Ne pas oublier de déclencher ces multimètres après utilisation. L'oscilloscope, le fréquencemètre, l'impédancemètre… Multimètre analogique digital range (ordre de grandeur) toujours manuel parfois automatique polarité DC permuter les sondes affichage`+ / - Surcharge en AC possible, l'aiguille indique "0" souvent protégé Lecture en cas de valeur instable indication facile de l'ordre de grandeur Impossible Piles internes (excepté ohmmètre) certains en ont, pas tous en a toujours besoin Jean-René Bollier AFTT Genève

Divers composants: La résistance (R) s'oppose au courant de la même manière en continu et en alternatif. Ses valeurs usuelles sont comprises entre quelques mili-ohms jusqu'à 1000 kilo-ohms. La grandeur de la résistance est l’Ω. Paramètre: puissance dissipée. Le condensateur (C) se charge d'électricité à l'apparition d'une tension. Un courant décroissant s'établit jusqu'à devenir 0 à l'équilibre. Un condensateur ne laisse pas passer le courant continu. La grandeur du condensateur est le Farad. L'inductance (L) (self ou bobine) s'oppose au passage du courant lorsque celui-ci varie. Elle génère un champ magnétique qui est fonction du courant (phénomène réversible). La grandeur de l’inductance est le Henry. Le translateur (ou transformateur) est composé de 2 (ou +) enroulements autour d'un même noyau. Une tension alternative appliquée à l'un des enroulements (primaire) créé un champ magnétique, lequel génère (induit) une tension dans l'autre (secondaire). Le rapport des tensions entre enroulements est proportionnel au nombre respectif des enroulements (spires). Le translateur transmet donc un signal alternatif (dans les deux sens) entre enroulements mais isole du point de vue courant continu. Jean-René Bollier AFTT Genève

Une ligne de transmission constitue un phénomème électrique complexe. Elle est soumise à la combinaison de la résistance en série la capacité en parallèle entre conducteurs et avec la terre (condensateur) l’inductance en série Ces trois phénomènes sont répartis sur toute la longueur de la ligne. Ils influencent les caractéristiques de transmission des signaux alternatifs, en fonction de leur fréquence. Ceci représente toujours un effet problématique lorsque l’on veut acheminer un signal dans une ligne. Dans une ligne de téléphone aérienne, les conditions atmosphériques (humidité) accentuent les effets. C’est l’une des raisons majeures qui font qu’une ligne de téléphone ne dépasse jamais 25 Km. L’ADSL est précisément fondé sur un principe de correction dynamique permanent des imperfections d’une ligne. Jean-René Bollier AFTT Genève

Notions de physique Un son est une vibration de l’air ambiant (pneumatique). La transmission d’un son se fait par le déplacement de molécules d’air et par la propagation du mouvement (pas des molécules d’air). Une liaison téléphonique repose sur le fait que, à l’une des extrémités, l’on transforme le plus fidèlement le son émis par la bouche en signal électrique (variable) et, à l’autre extrémité, l’on transforme ce signal électrique en vibrations acoustiques. Le son d’une voix contient plusieurs fréquences (spectre). La bande passante en téléphonie est comprise entre 300 Hz et 3’400 Hz Le signal électrique, qui est le miroir de ce son, est déformé dans une ligne longue car certaines fréquence subissent des déformations (distorsions) différentes les unes par rapport aux autres. La téléphonie numérique (RNIS) compense partiellement ce phénomène. Une ligne est définie par son impédance caractéristique. Pour que le passage du signal se fasse dans les meilleures conditions, la ligne doit être « terminée » à chaque extrémité par son impédance caractéristique (en téléphonie: 600Ω) Jean-René Bollier AFTT Genève

L'appareil téléphonique analogique
Le microphone transforme des vibrations acoustiques en courant électrique. Il est composé d'une membrane et d'une bobine (dynamique) ou d'un condensateur (electret). Autrefois il était constitué d'une membrane couplée à un récipient isolant contenant des particules de charbon entre 2 électrodes. En étant soumises aux vibrations, les particules changeaient de résistance et créaient un courant variable au gré du son. Le signal qui sort d'un microphone dynamique ou electret contient très peu d'énergie, il doit être amplifié. Sa qualité sonore est infiniment meilleure que celle d’un microphone au charbon. Dans tous les cas pratiques, le microphone nécessite une source de courant électrique (cc). Jean-René Bollier AFTT Genève

L'appareil tél. analogique (suite)
L'écouteur est l'élément inverse du microphone dynamique. Une bobine (électro-aimant) est reliée à une membrane sensible au champ magnétique, transformant une variation de courant en variation de pression de l’air. En téléphonie analogique, l'écouteur se contente de l'énergie transmise par la ligne, il n'a pas besoin d'un amplificateur. Exemple d'un téléphone simplifié: a b Microphone au charbon ou dynamique avec amplificateur Jean-René Bollier AFTT Genève

L'organe de sélection sert à composer le numéro de l'interlocuteur sur un central automatique. L'ancien système (impulsions) consistait à ouvrir la boucle de courant 10 fois par seconde pendant un vingtième de seconde, un nombre de fois correspondant au chiffre sélectionné, suivi d'une pause plus longue. Le système actuel consiste à envoyer au central une combinaison simultanée de 2 fréquences, appelées « fréquences vocales » ou DTMF. Quatre paires de fréquences normalisées sont définies, permettant de composer un maximum de16 codes de chiffres. F5 F6 F7 F8 Exemples "1" = F1 + F5 "0" = F4 + F6 Dual Tone Multiplex Frequencies 1 2 3 A F1 F2 F3 F4 4 5 6 B 7 8 9 C * # D Jean-René Bollier AFTT Genève

La sonnerie était constituée autrefois d'un électro-aimant, alimenté par la ligne en courant alternatif à basse fréquence (25Hz, 70V~). La bobine est toujours connectée à la ligne au travers d'un condensateur, afin d'éviter qu'un courant continu soit établi même lorsque le téléphone est raccroché. Actuellement, l'électronique a remplacé la sonnerie électromécanique, permettant de varier le son ou la mélodie. Condensateur a b téléphone Bobine Sonnerie Jean-René Bollier AFTT Genève

Batterie locale, batterie centrale. Un téléphone a toujours besoin d'une source d'énergie. Son micro n'est pas capable d'envoyer suffisamment de puissance sur la ligne. Autrefois (fin 19ème siècle) il y avait une pile chimique à proximité des premiers téléphones. Puis, sur les réseaux connectés à un central, on a combiné, sur la ligne, l'alimentation continue à distance avec le transport de la parole, de la sonnerie et d’autres signaux. Pour les réseaux ne disposant pas de central, par exemple les lignes militaires de campagne, les appareils nécessitent une batterie locale. Ils ont également un dispositif d'appel différent (bouton, manivelle). Sonnerie a b Batterie locale Sélection Batterie centrale Jean-René Bollier AFTT Genève

La fourchette est le contact qui permet d'établir ou d'interrompre une boucle de courant continu (central) ou d'établir le circuit de parole. La sonnerie n'est jamais connectée en série avec le contact de fourchette. L'antilocal est un circuit en pont permettant d'atténuer l'effet du microphone dans son propre écouteur. L'adaptation de niveau automatique sert à compenser l'atténuation de la parole qui diffère en fonction de la distance au central (résistance de la ligne). Les téléphones modernes disposent de circuits électroniques pour réaliser l'antilocal et l'adaptation de niveau. La distance max. d'un abonné à son central est de l'ordre de 20km. Le comportement d'une longue ligne est complexe et provoque des distorsions, des échos et des transmissions différentes selon les fréquences vocales (effet d'arrosoir). Jean-René Bollier AFTT Genève

L'appareil tél. analogique (fin)
Schéma bloc Téléphone civil Téléphone de campagne Stanophone Fourchette Fourchette Poussoir rouge Sonnerie sélection antilocal Sonnerie appel antilocal ? appel Poussoir noir a b a b a b 4,5V 1,5V Remarque: L'effort en tournant la manivelle est différent suivant la longueur de la ligne Remarque: La sonorité de l'appel est différent suivant la longueur de la ligne Remarque: (ne s'applique pas au Stanophone) un appareil téléphonique présente toujours un résistance infinie (>1MΩ) lorsqu'il est raccroché et une résistance entre 100Ω et 400Ω lorsqu'il est décroché. Le Stanophone présente toujours quelques dizaines d'ohms seulement. L'organe d'appel Téléphone de campagne Stanophone petit alternateur couplé à une manivelle. vibreur à bobine, actionné par le poussoir rouge génère appel 70V~, fréq. env. 10 à 30 Hz génère appel quelques volts, fréq. 400 à 600 Hz reçoit appel par une sonnette reçoit appel par l'écouteur Jean-René Bollier AFTT Genève

Injection de la tension de sonnerie
La ligne d'abonné Un central se compose de circuits d'abonnés (interface vers les abonnés), de circuits de cordon, de circuits inter centraux, d'une batterie et d'un générateur de tension de sonnerie. Le circuit d'abonné alimente la ligne en courant continu, détecte le courant de ligne avec un relais en série et envoie la tension de sonnerie. Au repos, l'appareil présente une résistance infinie, le courant = 0mA. La batterie fait 48V=, le pôle positif est mis à terre. En cas d'appel, une tension de sonnerie est superposée aux 48V= de la ligne, ainsi le courant de boucle peut s'établir à n'importe quel moment dès que l'abonné décroche. a b Batterie 48V= Mise à terre + - Circuit de cordon rails d'alimentation Circuit de détection de courant de boucle L'information d'établissement du courant est acheminée vers les circuits de cordon. 2 x 300 Ω Injection de la tension de sonnerie G 70V~ ( on répond ça sonne Jean-René Bollier AFTT Genève

La ligne d'abonné (suite)
Au repos aucun courant ne circule dans la ligne. Lorsque l'on décroche on présente une résistance de l'ordre de 200Ω, ce qui provoque un courant (de l'ordre de 20 à 40mA), indiquant au central que l'on veut prendre la ligne. Cette information bascule la ligne sur le circuit de cordon qui alimente (48V=) par un circuit de qualité (filtré). envoie la tonalité continue (prêt pour la sélection). attend et traite l'information de sélection (impulsions ou fréquences vocales). déclenche une minuterie détectant l'absence d'activité. reçoit une information d'ouverture de la boucle de courant (l'abonné a raccroché). En plus, le circuit de cordon gère l'établissement de la communication, la signalisation acoustique et la facturation jusqu'à la fin de la conversation. Jean-René Bollier AFTT Genève

A son autre extrémité le circuit de cordon est connecté aux bus (liaisons) qui établissent la connexion vers d'autres abonnés du même central et celles vers les autres centraux ou nœuds de réseaux. Pour un central de quartier ordinaire, desservant 10'000 abonnés, on compte seulement 400 circuits de cordon. Si plus de 400 abonnés veulent établir une liaison, ils ne pourront pas le faire. C'est ce que l'on appelle la surcharge ou "faire sauter le central". Sur certains anciens centraux d'entreprise, on pouvait envoyer une commande de mise en attente en actionnant le "bouton de terre". Ceci provoquait momentanément une asymétrie sur la ligne, qui était détectée au central. Comme aucune conversation n'avait lieu à ce moment, il n'y avait pas impact sur la qualité sonore. Actuellement on utilise un code DTMF. Jean-René Bollier AFTT Genève

Qu'est-ce qui est transporté sur la ligne d'abonné? Une composante continue servant à détecter le courant de boucle et à alimenter l'appareil téléphonique à distance. Une composante alternative à 25Hz, 70 V pour signaliser un appel entrant. Acheminer en bidirectionnel, en alternatif: les conversations (voix, modem etc.): faible niveau > 100mV~ les commandes de sélections (impulsion ou FV.) les impulsions de tarification (12KHz) pour l'ADSL, les composantes dans les bandes supérieures aux fréquences vocales (au delà de 3'400Hz). '000 10' '000 Hz Sonnerie Parole ADSL télétaxe Jean-René Bollier AFTT Genève

Caractéristiques d'une ligne d'abonné Longueur max (du central à l'abonné): 20 km Tension à vide (sans courant parallèle): 48 V= Courant de court-circuit (fonction de Rligne) ~60 mA Impédance (à 800Hz): 600 Ω Résistance interne au central: ~1'000 Ω Résistance de la ligne par km quelques dizaines d’Ω/km Par rapport à la terre: En continu: un fil (+) à 0V (±10V=), l'autre à 48V (±10V=), la polarité est indéfinie (permutation autorisée partout). En alternatif: strictement symétrique pour garantir aucun bruit induit. Les deux fils doivent toujours être de même longueur et parcourir le même cheminement. Si torsadés, l’équilibre est meilleur. En cas de déséquilibre, il y a risque de bruit ou de perturbation (ronflette ou tout autre). Remarque: la terre est un mauvais conducteur (peu fiable) mais son utilisation sert à définir une référence de tension (éviter les surtensions). Jean-René Bollier AFTT Genève

Interprétations et déductions des observations
Rappel des phénomènes observables en bout de ligne Une ligne libre présente une tension continue comprise entre 40V et 56V. Par rapport à la terre, l'un des conducteurs est presque à 0V, l'autre légèrement inférieure à 48V. Une ligne normalement occupée présente une tension continue comprise entre 5V et 25V aux bornes du téléphone, un peu plus au départ du central. Une ligne en court-circuit franc présente une tension nulle entre conducteurs, par rapport à la terre autour de 24V. Plus on s'éloigne du cc en amont, plus la tension augmente légèrement, en aval les valeurs mesurées sont constantes Pour décrocher il faut établir un courant de boucle min. de env. 20mA, pour la maintenir il suffit de env. 15mA, pour la libérer il faut un courant inférieur à 10 mA. Dès que la ligne est occupée, sans sélection le son musical permanent est remplacé par un son alterné après une vingtaine de secondes puis disparaît (circuit de cordon libéré). Les valeurs continues (crachotement) sont toutefois maintenues. Jean-René Bollier AFTT Genève

États possibles d'une ligne libre ou normalement en communication. coupure d'un fil ou des deux fils. court-circuit (R=0Ω) entre les deux fils ou d'un fil par rapport à la terre. faible résistance parallèle entre les deux fils ou d'un fil par rapport à la terre, la liaison ne peut pas être établie ou ne peut pas être coupée (défaut d'isolation). forte résistance en série de l'un ou des deux fils. Jean-René Bollier AFTT Genève

Central Ligne libre (normal) a b 48V Central Résistance série a b 48V Central Court-circuit a b « 48V Central Défaut vers la terre a b « 48V Central Ligne coupée a b 0V Central Ligne occupée (normal) a b  ~20V Les défauts peuvent naturellement être une combinaison plusieurs effets ci-dessus. Jean-René Bollier AFTT Genève

cause possible confirmer ou infirmer recherche En fin de ligne Ligne morte, pas de communication, pas de crachotements Coupure d'un fil ou des deux fils Mesurer la tension par rapport à la terre peut laisser conclure si les deux fils sont interrompus Tester le départ. Procéder de même en amont jusqu'à la localisation. Court-circuit entre les deux fils ou d'un fil par rapport à la terre Mesurer la tension par rapport à la terre peut confirmer le court-circuit Crachotements mais établissement de la communication impossible Faible résistance parallèle entre les deux fils ou d'un fil par rapport à la terre Mesurer la tension entre fils en fin de ligne. Remonter jusqu'à ce que la tension augmente. Son musical de mauvaise qualité, ronflette Liaison résistive d'un conducteur vers la terre Mesurer la tension de chaque conducteur vers la terre, comparer avec des mesures plus en amont, éventuellement interrompre la ligne pour observer les effets. Tester en amont en coupant la ligne en aval. Son musical mais pas possible de raccrocher Résistance parallèle, prise ligne mais pas libération Mesurer tension sans téléphone branché Remonter la ligne Jean-René Bollier AFTT Genève

Mise à terre avec forte section
Protection Le parafoudre Sert à protéger l'appareil téléphonique (utilisateur) contre la foudre consiste en 2 fusibles à très haute tension et un cheminement de déviation des arcs (éclateurs) à la terre. S'il y a foudre sur la ligne, les éclateurs la dévient à terre et le(s) fusible(s) interrompt(ent) la liaison. L’abonné est protégé. Côté central Côté abonné fusibles éclateurs a1 b1 a b  Ligne aérienne Téléphone Mise à terre avec forte section Jean-René Bollier AFTT Genève

Des questions? Merci de votre attention.
Un grand merci à Bernard G. pour avoir mis à disposition sa maison, sa ligne de téléphone et tout le matériel (piquet de terre improvisé). Jean-René Bollier AFTT Genève

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