Approche Telecom

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APPROCHE CONCRETEdes

TELECOMMUNICATIONSObjectifs : Dfinir les principes utiliss dans les communications HF. Montrer quil faut raisonner dans le domaine frquentiel. Dcrire les enjeux lis aux tlcommunications. P.G. FONTOLLIET Systmes de communications CNET- DUNOD. R. TOQUEBEUF lyce A. de Craponne SALON. J.-Ph. MULLER TA-Formation D. RABASTE . IUFM Aix-Marseille. M. RACACHER Mmoire professionnel, STI, LILLE. S. GREGOIRE Institut de recherche LAVOISIER. Fiches techniques Tl-Diffusion de France. Fiches techniques France Telecom R&D. POUR LA SCIENCE dition franaise n248. Encarta (Microsoft) 2002. lewebelectronique.free.fr www.sante.gouv.fr/htm/dossiers/telephon_mobil/resum_fr.htm ANFR Agence Nationale des Frquences et tous ceux que joublie, mille excuses. Ressources :

Encarta

Tous nos remerciements ceux qui ont contribu la ralisation de ce cours.

AvertissementCe cours constitue la premire partie dune suite de cours, TD et TP qui servent dappuis lors de ltude de systmes lectroniques faisant appel notamment aux domaines des tlcommunications. Cette partie se veut volontairement facile daccs, sans calculs mathmatiques. Ce document a t ralis dans le cadre de lEducation Nationale des fins pdagogiques et personne ne retire aucune rmunration de sa diffusion. Un soin extrme a t port sur le choix des sources, la rdaction des textes, la cration des illustrations provenant soit de lauteur lui-mme, soit dimages libres dutilisation et respectant le droit des auteurs ; si une erreur a t commise, elle sera corrige ds son signalement. Sachant, hlas, que personne n'est parfait, des inexactitudes, omissions ou insertions indpendantes de la bonne volont peuvent demeurer. Toutes remarques constructives, suggestions ou critiques via le courriel sont les bienvenues. [email protected]

APROCHE CONCRETE DES TELECOMMUNICATIONS

(Escolano v2005-03-17)

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APPROCHE CONCRETEDes

TELECOMMUNICATIONSp 3 p 5 p 5 p 5 p 6 p 6 p 6 p 7 p 8 p 8 p 8 p 9 p 9 p 10 p 10 p 10 p 11 p 12 p 12 p 12 p 13 p 14 p p p p p p p 15 15 16 17 18 19 20

A. TELECOMMUNICATIONS DANS LHISTOIRE B. CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLESB.1 Description dune transmission B.2 Sources dinformation B.3 Canal de transmissionB.3.1. Caractristiques des milieux B.3.2. Solution envisager

B.4 Sources de bruit B.5 Contraintes gnrales de conceptionB.5.1. Solution lmentaire B.5.2. Solution retenir

B.6 Multiplexage frquentiel (FDM) B.7 Transmissions par ondes libres

C. ORGANISATION DES TRANSMISSIONS H.F.C.1 Description fonctionnelleC.1.1 Schma organisationnel C.1.2 Implication des fonctions C.2.1 Rpartition des rayonnements C.2.2 Ondes radio et sant ?

C.2 Echelle des rayonnements

C.3 Propagation des ondes en radiofrquences C.4 Utilisations du spectre radiolectrique C.5 Partage spectral en radiofrquencesC.5.1 Raret du spectre C.5.2 Classifications des ondes C.5.3 Quelques applications C.5.4 Exemples en radiodiffusion hertziennes C.5.5 Exemples en tldiffusion hertziennes C.5.6 Rpartition gographique des metteurs C.6.1 Interface avec le milieu C.6.1 Antennes mettrices C.6.2 Antennes rceptrices TV C.6.3 Antennes paraboliques

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C.6 Antennes

C.7 Evolution des transmissions

C.7.1 Evolution des frquences utilises C.7.2 Evolution dans la tlvision franaise C.7.3 Evolution dans la tlphonie mobile C.7.4 Evolution dans les satellites



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A. Les tlcommunications dans lhistoireLe terme tlcommunications fut invent en 1904 par E. Estauni et signifie communiquer distance. Le but des tlcommunications est donc de transmettre un signal, porteur dune information (voie, musique, images, donnes), dun lieu un autre lieu situ distance. A.1 Communication visuelle On a vu natre divers dispositifs de communication depuis des temps trs anciens. Les Romains avaient un systme de signaux militaires qui permettait de faire circuler assez vite, de poste en poste, les ordres et les nouvelles dimportance. Cependant, ce ntait que lchange de quelques signes conventionnels qui codaient une signification globale du message (victoire, dfaite, attaquer lOuest, etc). A.2 Tlgraphe visuel + mcanique Il fallut attendre la fin du XVIIIe sicle pour voir apparatre le premier systme permettant de communiquer distance des messages complets construits avec des phrases. Cette ralisation des frres Chappe, en 1794, tait base sur un dispositif mcanique : trois rgles mobiles au haut dun mt codaient, par leur position, des mots dun lexique. Grce lutilisation d'une "chane" d'observateurs relayant la transmission, des messages pouvaient tre communiqus en quelques minutes sur des distances importantes. Lanctre du tlgraphe tait n ! ... Le tlgraphe de Chappe fut en usage en Algrie jusqu'en 1859. A.3 Tlgraphe lectrique La rvolution suivante fut celle du tlgraphe lectrique invent par Samuel MORSE en 1832. Cette fois, un vritable alphabet tait utilis, le fameux code morse (exemple : S O S - - ). Cette invention tait rendue possible par les avances rvolutionnaires successives de la physique en lectricit (courant lectrique, pile de Volta, lectro-aimant...). Cest ce principe qui servira plus tard pour raliser les premires liaisons radio. A.4 Tlphone En 1876, l'Amricain Graham Bell inventa le tlphone : enfin, la voix humaine pouvait tre transporte au-del de l'horizon sonore. De nombreuses amliorations du tlphone de Bell (comme l'invention du microphone charbon par Hughes en 1878 et l'introduction dans le circuit de piles et transformateurs) conduisirent au dveloppement que l'on connat. Paris fut la premire ville possder un rseau de "tlphonie urbaine".APROCHE CONCRETE DES TELECOMMUNICATIONS page 3/27


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A.5 La radio Mais le fil de cuivre qui tait la base mme de ces dispositifs de communication tait trs pnalisant : cots de construction et de maintenance trs importants, impossibilit de communiquer avec un bateau en mer La dcouverte des ondes hertziennes allait ouvrir l're du "sans fil" et mtamorphoser les lourds, fragiles et coteux cbles de cuivre en liaisons invisibles que constituent les ondes lectromagntiques. MARCONI Guglielmo (Italo-Irlandais) est reconnu comme linventeur de la radio sans fil. Il permit plusieurs stations dmettre simultanment, et sans interfrence, sur des longueurs dondes diffrentes. En 1921 des missions exprimentales sont diffuses depuis la Tour Eiffel do sont transmis les premiers journaux parls et missions musicales en direct. A.6 La tlvision C'est dans les annes 1920 que les premiers prototypes de tlvision apparaissent. En 1929, la BBC met des missions exprimentales malgr des images de mauvaise qualit. En France, les missions de tlvision sont quotidiennes partir de 1938, mais en cette priode de pr-guerre le public n'est pas au rendezvous (200 rcepteurs commercialiss contre 20 000 en Angleterre). En 1947, 3 Amricains inventent le transistor, qui peu peu va dtrner les lampes, et faire acclrer les volutions techniques. Dans l'histoire de la tlvision, un des grands moments restera l'alunissage en direct de la capsule spatiale Apollo, le 20 juillet 1969, devant des millions de tlspectateurs. A.7 Les satellites Au dbut des annes 1960, les communications tlphoniques internationales restent trs difficiles car les cbles sous-marins ont une capacit rduite. De mme la tlvision ne permet pas encore de raliser des "directs" sur de trs longues distances. Un projet est alors avanc : construire un satellite de tlcommunications. En 1961, un accord est sign entre la Grande Bretagne, la France et les Etats-Unis pour sa ralisation. Ce satellite (Telstar) est construit par "Bell Telephone Laboratories" et sera lanc de Cap Canaveral le 10 juillet 1962. Pour loccasion la France construit en Bretagne (Pleumeur-Bodou) une antenne rceptrice compose entre autres, d'une portion de sphre de 64 mtres de diamtre. Le 11 juillet 1962, l'antenne capte dans d'excellentes conditions des images mises des Etats-Unis. A.8 Internet En 1974, les laboratoires Bell mettent au point un programme, qui permet d'changer des donnes par modem via le rseau tlphonique. Grce cette innovation, dbute le premier vritable rseau plantaire, UUNET. En 1981, les Franais dcouvrent l'univers de la tlmatique avec le Minitel. En 1994, avec l'introduction de Netscape, dot d'une interface graphique spectaculaire, qui intgre les ressources multimdias, lInternet connat une explosion phnomnale. L'expression "Internet" sert dsigner un ensemble de rseaux connects entre eux. La collectivit y a maintenant accs, par lintermdiaire des fournisseurs de services (Wanadoo, free). Aujourdhui, France Tlcom planifie lADSL2+, une technologie qui permet datteindre un dbit de 10mgabits/s sur des liaisons de moins de 2km entre le rpartiteur et labonn.

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B. CARACTERISTIQUES FONCTIONNELLESB.1 Description dune transmissionLinformation issue dune source est transmise via un EMETTEUR dans un CANAL de transmission (atmosphre, ligne lectrique, fibre optique). Un autre utilisateur va rcuprer sur le CANAL, grce un RECEPTEUR, le signal transmis auquel se seront superposs des parasites : BRUIT ou perturbations. Source de bruit Parasites EMISSION PROPAGATION Signal mis(canal de transmission)

Signal reu

RECEPTION message Utilisateur

message Source de linformation

Dans cet exemple de radiofrquences, on a une de transmission unidirectionnelle (simplex) comme pour la radio, distinguer dune transmission bi-directionnelle alterne (half-duplex) dans le cas du talkie-walkie ou dune transmission bi-directionnelle (full duplex) dans le cas du tlphone analogique.

B.2 Source dinformationUn message sonore (voie, musique) est constitu dune variation de pression de lair. Avant toute transmission, il faut donc convertir le message en un signal sous forme lectrique. Que se soit le message dorigine ou le signal traduit, ils voluent lintrieur dun intervalle de frquences [f1,f2], cest la densit spectrale. S(f) f

f 0 f1 fmoy f2 Dans le cas de la transmission dun message sonore en haute-fidlit , lintervalle [f1,f2] couvrira la totalit de la bande caractrisant une audition humaine : f1=20Hz et f2=20kHz. Pour des applications o lon peut se contenter dune moindre fidlit de reproduction des messages sonores, et pour simplifier la transmission, on limitera la bande passante des signaux.Par exemple : En tlphonie on prend f1= 300Hz et f2=3400Hz ( f=3100Hz ; fmoy =1850Hz). La transmission dun signal vido ncessite une bande beaucoup plus large, cest le cas en tlvision, o lon choisit couramment f1=0Hz et f2=5MHz ( f=5MHz ; fmoy =2.5MHz) Dune manire gnrale la bande spectrale du signal est du type large :

(fmax fmin) > (fmax + fmin)/2APROCHE CONCRETE DES TELECOMMUNICATIONS(Escolano v2005-03-17)

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B.3 Canal de transmissionCest la proprit du champ lectromagntique de se propager sous forme dondes qui est utilise pour raliser des transmissions entre metteurs et rcepteurs.

B.3.1 Caractristiques des milieuxContrairement au vide dans lequel aucune puissance nest dpense et qui prsentent les mmes caractristiques quelle que soit la frquence du signal, tous les autres milieux (leau, lair, latmosphre), dans une plus ou moins grande mesure sont absorbants et dispersifs.

Absorption : Les ondes se propageant dans un milieu matriel sattnuent en raison dune dissipation de puissance, on dit que londe est absorbe par le milieu. Dans le cas dune onde plane, lattnuation se traduit par une amplitude dcroissant exponentiellement avec la distance : Sm = So * e- d . La constante dattnuation est souvent fonction de la frquence, si bien que les diffrentes composantes spectrales dun mme signal ne subissent pas le mme affaiblissement do distorsion damplitude. Dispersion : De la mme faon la clrit des ondes dans un milieu dpend de la frquence, cet effet appel dispersion, introduit de ce fait une distorsion de phase dans le signal transmis, dans la mesure o toutes les frquences du spectre transmis nont pas le mme retard.1. 0 V 0. 5 V 0V - 0. 5 V - 1. 0 V V (V 2 : +) T i me

B.3.2 Solution envisagerLe choix dune antenne se fait par rapport la frquence centrale de travail Fo, il faut donc que les frquences Fmin et Fmax soient relativement trs proches. De plus pour saffranchir au mieux des distorsions introduites par le milieu de transmission, la mthode la plus simple consiste ne transmettre que des signaux spectre troit, cest dire :

(fmax fmin)

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