TELECOMMUNICATIONS COMMUNICATIONS NUMERIQUES ET ANALOGIQUES CANAUX DE TRANSMISSION 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Les 2 caractéristiques fondamentales dans l’important problème de l’adaptation source/canal qui est à la base de la conception du système d’émission sont : Caractéristiques spectrales Perturbations 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Caractéristiques spectrales Concerne bande passante du canal de transmission Largeur de bande utilisable B = fmax-fmin Position de cette bande dans le spectre électromagnétique Largeur de bande utilisable – Principe de multiplexage Conditionne le type d’informations que l’on peut acheminer, support à bande étroite. EX : paire métallique qui convient pour transmission conversation téléphonique, support à large bande. Ex : faisceau hertzien, câble coaxial , fibre optique pour la transmission : signal TV Grand nombre de messages élémentaires (multiplexage) 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Position de la bande utilisable dans le spectre électromagnétique Transmission directe, dite « bande de base » Aucune adaptation spectrale du signal m(t) m(t) n’est pas transposé vers une région de l’axe des fréquences plus haute Ex : câble métallique pour signal téléphonique (simple ou multiplex) Transmission par porteuse, dite radio-électrique Canal de transmission : milieu de propagation des ondes électromagnétiques de fréquences élevées Nécessité de transposer les caractéristiques de l’information (spectre, niveau) dans le domaine de fréquences susceptibles de se propager dans de bonnes conditions sur le canal radio-électrique considéré 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Propagation libre dans l’atmosphère : liaisons radio, hertziennes Propagation guidée : guides d’ondes, fibre optique Fréquences sont toujours plus grandes que le fréquence du spectre utile de m(t) Modulation d’une porteuse sinusoïdale de fréquence f0 soit par un message m(t) analogique, soit un message m(t) numérique 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Perturbations Généralités Dans les processus de transmission, outre les signaux utiles, apparaissent des phénomènes parasites que l’on peut généralement modéliser par des signaux indésirables appelés perturbations Moyens mis en œuvre (à la réception) pour réduire leurs conséquences dépendent de leur nature et de la structure du signal utile Deux grandes classes de perturbations : Incohérentes : aucun lien de dépendance avec le ou les signaux utiles Cohérentes : effets dépendent du ou des signaux utiles 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Perturbations incohérentes : bruit Deux grands types de bruits : Ceux qui ne peuvent pas être caractérisés par des lois de probabilité Ceux qui peuvent l’être Bruits non caractérisables par des lois de probabilité Bruits réguliers : modélisables par fonction périodique du temps Bruit du secteur (« ronflette ») Oscillations parasites des amplificateurs Bruits irréguliers : beaucoup plus imprévisibles Décharges atmosphériques Commutations accidentelles de charges électriques 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Bruits modélisables par des fonctions aléatoires du temps Perturbations aléatoires additives r(t) = s(t) + n(t) Modèles souvent utilisés en télécommunications, où n(t) est représenté par une f.a. additive, stationnaire et ergodique avec en général comme : Propriété statistique : bruit gaussien Propriété spectrale : bruit blanc Perturbations aléatoires multiplicatives r(t) = a(t).s(t) Si a(t) varie lentement par rapport à s(t) : évanouissement ou fading 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Perturbations aléatoires additives dans des canaux à perturbations aléatoires multiplicatives Problème complexe Étude par séparation des perturbations ( en les supposant indépendantes) Dans la suite du cours : n(t) bruit additif stationnaire et ergodique gaussien centré (n(t) suit loi de Gauss indépendante de t) blanc (DSP constante dans la bande utile) 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Perturbations cohérentes : diaphonie interférences (brouillage) La diaphonie et le brouillage peuvent être : Intelligibles lorsqu’ils sont fortement cohérents avec les signaux utiles des autres canaux : les perturbations sont alors la réplique assez peu déformée des signaux utiles dont elles proviennent Inintelligibles lorsqu’ils sont faiblement cohérents avec les signaux utiles des autres canaux : les perturbations ressemblent alors beaucoup moins à ces signaux utiles dont elles proviennent 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Distorsion Perturbation cohérente avec le signal utile de la voie considérée Déformations que subit m(t) du fait de l’imperfection des caractéristiques du support de transmission et des circuits qui effectuent les divers traitement du signal, tant à l’émission qu’en réception Deux types : Distorsions réversibles Proviennent de transformations réversibles subies par m(t) Peuvent être éliminées (théoriquement au moins) par transformations inverses Ex : distorsion linéaire de phase ou d’amplitude 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Distorsions irréversibles Proviennent de transformations irréversibles subies par m(t) On s’efforce, par expérience, de les éliminer Ex : distorsion non linéaire d’amplitude (produites par des limiteurs), de phase (produites par réflexion des ondes ) 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Capacité théorique maximale d’un canal de transmission bruité Formule de Shannon C : capacité du canal, en bits/s B : larguer de bande du canal, en HZ S : puissance moyenne du signal utile N : puissance moyenne du bruit 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Le débit D de la source qui délivre l’information à transmettre doit vérifier : La capacité théorique du canal lorsque le signal n’est plus limité en fréquence est : 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Caractéristiques principales des canaux de transmission Autres caractéristiques d’un canal de transmission Atténuation Atténuation en puissance A (10 log A en dB) Conditionne la portée des équipements Si A = cste (t,f)  pas de distorsion Si A = g(t)  bruit multiplicatif, fading Si A = g(f)  canal sélectif, fading Temps de transmission Temps  qui sépare l’émission de la réception d’un message : temps de propagation + divers temps de traitement En général faible, mais parfois non négligeable (liaisons longues distances) 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Deux grandes catégories de support de transmission Milieux matériels Milieux immatériels Canaux matériels - Transmission sur câbles Généralités Le support magnétique Câbles ordinaires (câbles à paires symétriques) Câbles coaxiaux (câbles à paires coaxiales) Guide d’onde Fibre optique 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Caractéristiques d’emploi Le support magnétique Bande magnétique, disquette, CD ROM, DVD … Exemple : une boîte de 50cm x 50cm x 50cm contient 1000 bandes magnétiques de 8mm, de type Exabyte, capable de stoker chacune 7 GO de données = 1000 GO de données Transfert en 24 H : 648 Mbits Transfert en 1 H : 15 Gbits Coût : qq € par G0 ! A ne pas sous-estimer ! 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Transmission sur lignes à paires symétriques Transmission sur lignes aériennes  Ligne : 2 conducteurs (Ø = 1 ou 2 mm) espacés de  10 cm  Affaiblissement linéique faible : 0,02 dB/km  Bande passante limitée Transmission par câble multi-paires  14, 28, 56, 112 paires  Affaiblissement linéique : 1 dB/km  Bande passante du quelques dizaines de kHz à la centaine de Mhz 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Transmission sur lignes à paires coaxiales Diaphonie faible : diminue avec f Affaiblissement linéique : augmente avec f Utilisées pour liaisons grande distance et forte capacité Coaxiaux terrestres :  plus de 10.000 voix téléphoniques sur deux paires  Pas d’amplification : plusieurs kilomètres  Signaux larges spectre sur faible distance : TV Coaxiaux sous marins :  Plusieurs milliers de voix téléphoniques 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Deux types de câble coaxial Bande de base  Transmission des signaux numériques  Impédance caractéristique : 50   Débit : 1 à 2 Gbit/s sur 1 Km  De plus en plus supplantés par la fibre optique Large bande  Transmission des signaux analogiques  Impédance caractéristique : 75   Signaux TV, signaux de fréquence de 300 MHz (parfois 450 MHz). Pour la TV, bande divisée en canaux de 6 MHz affectés aux différentes chaînes : chaque canal peut être utilisé indifféremment pour la TV analogique, le son numérisé (à 1,4Mbit/s) ou l’échange de données numériques (3Mbit/s) 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Guide d’onde et fibre optique Propagation guidée des ondes électromagnétiques à l’intérieur d’un support matériel Porteuse à très haute fréquence (ondes millimétriques pour guide d’ondes, onde « au moins » lumineuse pour les fibres optiques) modulée par message à transmettre m(t) Distorsions importantes  transmission numérique 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Guide d’onde Hyperfréquences (f0 > 300 MHz ) Filtre passe-haut, fréquence de coupure f c qui diminue lorsque dimension augmente Propagations suivants différents modes, dont le fondamental (la plus faible f c ) Radar, liaison hertzienne 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Fibre optique Description et caractéristiques physiques guide d'onde "diélectrique" pour lesquels l'OEM se propagent à l'intérieur d'un diélectrique délimitée par une enveloppe constituée par un autre diélectrique fréquence de fonctionnement optimale se situe dans le domaine des fréquences optiques (fréquences de l'ordre de 1014 Hz et longueur d'onde de l'ordre du micron) Mode de fonctionnement cylindres de diélectriques dont la partie centrale présente une constante diélectrique supérieure à celle du milieu extérieur. partie centrale : cœur, constante 1 , partie périphérique : gaine, constante 2 . propagation se fait par modes : mode fondamental fc = 0 pour que seul ce mode se propage et pour éviter les pertes par rayonnement à l'extérieur, il faut que le diamètre du coeur soit de l'ordre de . 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Fonctionnement aux fréquences radioélectriques  pour f  10 Ghz,   0.4dB/m soit 400 dB/km  rédhibitoire pour un usage en télécommunications Fonctionnement aux fréquences optiques  pour f  1014 Hz (  micron) :  plusieurs matériaux ont la propriété remarquable de présenter dans certaines gammes de fréquences, pertes sont très faibles :  silice (1 = 2.25) présente un coefficient d'affaiblissement de 0.01dB/m ou 10 dB/km pour une fréquence de 5.1014 Hz (soit une longueur d'onde de 0.6 micron).  silices spéciales, des affaiblissements inférieurs à 1 dB/km ont pu être obtenus.   04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Les fibres décrites précédemment sont appelées fibre à saut d'indice. Il existe également des fibres dites à gradient d'indice pour lesquelles la constante diélectrique décroît selon une loi déterminée, de la valeur 1 sur l'axe à la valeur 2 dans la gaine. 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Bande passante :  dépend de la longueur de la fibre et de la différence relative des constantes diélectriques 1 et 2.  directement liée à l'élargissement que subit une impulsion lors de la traversée de la fibre : si cet élargissement est égal à t, deux impulsions qui seraient distantes de  t ne pourraient plus être distinguées en sortie de la fibre. La largeur de la bande passante est égale à 1/  t.  Pour une fibre de longueur 1 km dont le cœur serait en verre et la gaine extérieure constituée par l'air, on obtient une bande passante maximale de 400 kHz.  Pour une fibre de longueur 1 km dont le cœur serait en silice et la gaine en silicone, cette bande passante passe à 6.66 MHz.  avec des silices spéciales, 1 GHz et plus avec une atténuation de moins de 0,03 dB par km 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Bande passante  Limite : bien au delà des 50 terabit/s  En pratique, aujourd’hui dans les réseaux : 10 Gbit/s  En laboratoire : 100 Gbit/s  D’ici quelques années : 1 terabit/s TEEB  Il y a dix ans : 10-5  Aujourd’hui : négligeable 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Affaiblissement et perturbations  Pertes par absorption dans les atomes du diélectrique, les plus gênantes étant celles de l'ion OH- qui présente des raies d'absorption à 0.945 m et 1.38 m  Pertes par diffusion, dues aux inhomogénéités du diélectrique. (Elle varie en 1/4)  Pertes par couplage de modes. Elles sont dues aux imperfections de la fibre elle-même et non à celle des matériaux utilisés.   En sommant chacune des contributions décrites ci-dessus, on obtient les pertes globales : on peut obtenir actuellement des valeurs inférieures à 0,3 dB/km. 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Utilisation  Liaisons longues distances : sous-marin, inter-urbain.  Réseaux locaux.  Télédistribution.  Câblages aéronefs  Liaisons protégées contre l'IEM.  Liaisons très hauts débits.  Imagerie médicale. 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Canaux immatériels – Transmission radio –électrique Généralités sur les transmissions radio –électriques Ondes électromagnétique Antennes en émission et réception Rendement suffisant si fréquence suffisamment élevée : m(t) module une porteuse (onde sinusoïdale) dont la fréquence f0 appartient au domaine radioélectrique qui possède les caractéristiques suivantes : Affaiblissement en puissance :  en d2 (modèle espace libre) B << f0 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Classification des ondes radio –électriques Part importante d’arbitraire (choix des frontières) Échelle logarithmique (longueurs d’onde par décade) Appellation anglo-saxone usitée, mais surenchère de superlatifs avec les progrès Caractéristiques d’emploi des ondes radio –électriques Spectre radio-électrique et la bataille des fréquences Spectre radio-électrique : de 3 kHz à 3000 GHz Partie du spectre officiellement attribué : de 10 kHz à 275 GHz Domaine effectivement utilisé : jusqu’à 40 GHz 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi Utilisation des ondes radio-électriques en transmission liaisons radio utilisent principalement : Ondes hectométriques (MF) : 300 kHz < f0 < 3 MHz  Ondes décamétriques (HF) : 3 MHz < f0 < 30 MHz  Ondes métriques (VHF) : 30 MHz < f0 < 300 MHz  Ondes décimétriques (UHF) : 300 MHz < f0 < 3 GHz Transmission de signaux à faible largeur de bande Transmission non dirigée 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)

Canaux de transmission (Tél 45) Classification physique des canaux de transmission et caractéristiques d’emploi liaisons hertziennes Utilisent : Ondes décimétriques Ondes centimétriques Transmission de signaux à large bande Transmission dirigée Terrestres Relayées par satellite Autres Radar Radionavigation Radiodiffusion Télévision 04/12/2018 Canaux de transmission (Tél 45)