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TP 1 : LIGNES - Etude des câbles de transmission Philippe REDIEN – Cédric MAZURIER – 8 Octobre 2007

a) Diaphonies : L’atténuation ou affaiblissement

Il est du à la perte d’énergie du signal le long des conducteurs. Il est induit par les pertes résistives et l’émission électromagnétique qui se produit à haute fréquence. Il augmente avec la longueur des conducteurs et la fréquence du signal émis. Sa mesure (en dB) exprime le rapport entre l'énergie émise et l'énergie reçue. Plus la valeur mesurée est petite, meilleur est le lien. La paradiaphonie (NEXT)

La paradiaphonie est l'une des 2 observations possibles de la diaphonie qui est l’émission parasite d’une paire sur une autre. Comme les conducteurs d’un même câble suivent des directions parallèles, un couplage capacitif se produit entre ces conducteurs. Une partie de l’énergie perdue par affaiblissement sur une paire est ainsi transférée sur une autre paire. Cette émission parasite augmente avec la longueur et la fréquence d'émission. Elle est aussi augmentée au passage des connecteurs RJ45 dont la géométrie (8 connecteurs parallèles et très proches) la favorise. Sa mesure (en dB) exprime le rapport entre l'énergie émise sur une paire d'un coté du lien et l'énergie reçue sur une autre paire du même coté du lien (NEXT = Near End Cross Talk). Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. La télédiaphonie (FEXT)

La télédiaphonie est la deuxième observation possible de la diaphonie (émission parasite d’une paire sur une autre). La seule différence par rapport à la paradiaphonie (NEXT), est le point de mesure du bruit induit qui change de coté. Sa mesure (en dB) exprime donc le rapport entre l'énergie émise sur une paire d'un coté du lien et l'énergie reçue sur une autre paire de l'autre coté du lien (FEXT = Far End Cross Talk). Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. La marge active (ACR)

Il s’agit de la différence entre les mesures en dB de paradiaphonie et d’affaiblissement (ACR = Attenuation to Cross Talk Ratio). Cette valeur est une mesure de la marge active disponible entre l'atténuation et la diaphonie. Elle doit être supérieure au rapport signal/bruit admissible par les équipements actifs qui sont de part et d’autre du lien pour que la transmission puisse se faire correctement. On a donc la relation ACR = NEXT – Affaiblissement. Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. La paradiaphonie cumulée (PSNEXT)

Il s’agit du bruit parasite induit sur une paire quand les n-1 autres paires d'un câble sont en émission, d'où le terme de paradiaphonie cumulée. Comme pour la paradiaphonie paire à paire (NEXT), cette émission

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parasite augmente avec la longueur, la fréquence d'émission, et au passage des connecteurs RJ45. Sa mesure (en dB) exprime le rapport entre l'énergie émise sur les n-1 paires d'un coté du lien et l'énergie reçue sur la dernière paire du même coté du lien (PSNEXT = Power Sum Near End Cross Talk). Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. La marge active « cumulée » (PSACR)

C'est la différence entre les mesures en dB de paradiaphonie cumulée et d’affaiblissement. Ce critère est mieux adapté que la marge active paire à paire (ACR) quand les équipements qui sont de part et d’autre du lien utilisent les 4 paires d’un lien simultanément. (PSACR = Power Sum Attenuation to Cross Talk Ratio). On a donc la relation : PSACR = PSNEXT – Affaiblissement, et plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. La télédiaphonie compensée (ELFEXT ou ACR Distant)

C'est la différence entre les mesures en dB de télédiaphonie et d’affaiblissement (ELFEXT = Equal Level Far End Cross Talk). Comme l'ACR, cette valeur est une mesure de la marge active paire à paire disponible entre l'atténuation et la diaphonie. Elle doit être supérieure au rapport signal/bruit admissible par les équipements actifs qui sont de part et d’autre du lien pour que la transmission puisse se faire correctement. On a donc la relation ELFEXT = FEXT – Affaiblissement. Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. La télédiaphonie compensée cumulée (PSELFEXT)

Il s’agit de la télédiaphonie compensée induite par l’ensemble des n-1 paires d’un câble sur la dernière. (PSELFEXT = Power Sum Equal Level Far End Cross Talk). Il s'agit donc d'une mesure de la marge active cumulée laissée entre l'atténuation et la télédiaphonie. Elle est la symétrique du PSACR. Ce critère est adapté aux liens qui doivent supporter des transmission de signaux bidirectionnels simultanément sur leurs paires. On a la relation : PSELFEXT = PSFEXT – Affaiblissement. Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien. b) La perte en retour (Return Loss)

Il s’agit de l’énergie re-émise vers la source (RL = Return Loss). Elle est essentiellement induite par les changements d’impédance locale sur le lien lors des traversées de connecteurs (qui suppriment localement la torsade), et de jarretières (dont le câble peut être légèrement différent). Sa mesure (en dB) exprime le rapport entre l'énergie émise et l'énergie reçue en retour sur la même paire. Plus la valeur mesurée est grande, meilleur est le lien.

T, τ : Période en secondes (s) ; f : fréquence en Hertz (Hz) L : longueur du câble en mètres (m) ; v : vitesse de propagation en m/s c : vitesse de la lumière dans le vide ; c = 3.108 m/s Z : impédance du câble en ohms

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1 - Phénomènes de propagation On calcule la longueur L du câble coaxial en fonction du nombre de spires n et du diamètre de la bobine de câble : Longueur du câble : L = n x 2pi x R R = D/2 = 0,11/2 = 0,055 m n = 43 spires L = 43 x 2pi x 0,1/2 => L = 15m

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a) On connecte le générateur basses fréquences (GBF) sur l'oscilloscope pour mesurer le signal d'entrée et le signal de sortie,

On mesure d'abord le temps de propagation en circuit ouvert : le câble coaxial est connecté sans résistance au bout et on mesure le temps de propagation sur un aller retour.

Rc=Rl=Rg= 50 ohms

On obtient un temps de propagation pour 15m d'environ : Tau = 150/2 = 75 ns Pendant la transition, le circuit est équivalent à un pont diviseur entre l'impédance caractéristique du générateur et celle du câble coaxial. V(0,0) = (Rc x E)/(Rc + Rg) = E/2

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b) On connecte une résistance de 50 ohms au bout du câble coaxial puis on mesure la sortie avec la sonde différentielle. On obtient cette fois le temps de propagation directement (90 ns) et la transition est plus franche :

Le circuit est équivalent à un pont diviseur entre l'impédance caractéristique du générateur et celle de la charge. V(infini) = (Rl x E)/(Rl + Rg)= = E 2 – Atténuation On génère un signal sinusoïdal d'amplitude 20 Vcc et on mesure les amplitudes entre l'entrée et la sortie pour obtenir l'atténuation. Le câble utilisé mesure 25m.

Fréquence 100 kHz 1 MHz 5 MHz 10 MHz

CH1 : Vx=0 8,56 Vcc 8,60 Vcc 8,36 Vcc 7,56 Vcc

CH2 : Vx=L (25m) 8,32 Vcc 8,20 Vcc 7,16 Vcc 5,60 Vcc

VL/V0 0,972 0,953 0,856 0,740

|20xlog(VL/V0)| 0,25 dB 0,42 dB 1,35 dB 2,615 dB NB : l'atténuation est positive (valeur absolue du gain). Pour les valeurs mesurées, l'affaiblissement augmente avec la fréquence. On pourrait cependant avoir des noeuds et des ventre sur certaines fréquences, surtout si l'adaptation en impédance n'est pas parfaite.

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3 – Signal (en tension) en x=0 dans le cas de désadaptation

Coefficient de réflexion à x=L : Coeff(L) = (RL – Rc) / (RL + Rc) Coefficient de réflexion à x=0 : Coeff(0) = (Rg – Rc) / (Rg + Rc) = 0 si tout est adaptaté On envoie un signal TTL et on fait varier la résistance de charge pour simuler une désadaptation d'impédance. a) RL = RC = 50 ohms < RG = 100 ohms On a un palier à E x Rc/(Rc+Rg) . Coeff (L) = (50 - 50) / (50 + 50) > 0 Coeff (0) = (100 – 50) / (100 + 50) = 0,33 b) RG = RC = 50 ohms > RL = 33 ohms On a un premier palier à E/2 puis le signal décroît légèrement après t = 2 Tau RL / (RL + Rg) Coeff (L) = (33 - 50) / (33 + 50) = - 0,20 Coeff (0) = (50 - 50) / (50 + 50) = 0,33 c) RG = RC = RL (adaptation d'impédance) Avec une adaptation d'impédance adéquate, on a juste un palier à E/2. Coeff (L) = (50 -50) / (50+50) > 0 (cas idéal, pas de réflexion) Coeff (0) = (50 -50) / (50 + 50) > 0 Il est donc préférable d'avoir une ligne adaptée pour éviter les phénomènes de réflexion.

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Retard de propagation= 280 ns On a un signal en E/2 qui part du générateur (pont diviseur entre Rg et Rc et réflexion nulle) puis arrive en bout de ligne (x = L, pont diviseur entre RL et Rc)et revient vers le générateur (x = 0) avec (coeff x E/2). 4 – Ondes stationnaires – Déterminer la longueur du câble On envoie un signal sinusoïdal et on observe les ventres et les noeuds en fonction de la fréquence. On déduit la longueur du câble : L = v/(2 DeltaF) avec v = c x 2/3 et c = 300 000 000 m/s Fréquence 1,89 MHz 3,75 MHz 5,8 MHz 7,65 MHz 9,7 MHz

Amplitude 0,92 Vcc 15,00 Vcc 1,58 Vcc 13,4 Vcc 1,90 Vcc

DeltaF - 3,9 Mhz 3,9 MHz 3,9 MHz -

Longueur L - 25,64 m 25,64 m 25,64 m - Ce qui correspond au calcul avec le nombre de spire et le diamètre de la bobine. L = 27 x 2 pi x 0,30/2 = 25,45 m

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5 – Bande passante (Analyseur scalaire) On utilise un analyseur scalaire et on mesure la bande passante à -3 dB. L'appareil envoie un signal sinusoïdal dans le câble coaxial et mesure les caractéristiques en sortie. À -3 dB, on obtient une bande passante légèrement inférieure à 40 Mhz, ce qui permet de choisir le signal utilisé sur ce câble (Fréquence maximale, fréquence porteuse...) Le constructeur donne une bande passante de .... (NC) 2 – Paires torsadées On utilise un testeur de lignes pour qualifier le câblage réseau entre 2 salles, Lien permanent : c'est le câble réseau fixe, entre la prise murale et la prise dans la baie de brassage, Lien canal : c'est toute la ligne de transmission, le lien permanent + les jarretières vers le commutateur et l'ordinateur. Les catégories (5, 5e, 6) des câbles permettent de connaître les caractéristiques techniques (fréquences maximales, atténuation, diaphonies, Skew délais, alien crosstalk...) Catégorie 5 La catégorie 5 est un type de câblage permettant une bande passante de 100 Mhz. Ce standard permet l'utilisation du 100BASE-TX et du 1000BASE-T, ainsi que diverses applications de téléphonie ou de réseaux (Token ring, ATM). Il était décrit dans l'ancienne norme ANSI/TIA/EIA-568-A. Dans la norme actuelle, seules les catégories 5e et 6 restent décrites. Catégorie 5e / classe D La catégorie 5e (enhanced) est un type de câblage permettant une bande passante de 100 Mhz (apparu dans la norme TIA/EIA-568A-5). La norme est une adaptation de la catégorie 5 (résistance < 9.38ohm/100m, capacité mutuelle < 5.6nF/100m, capacité à la masse < 330pF pour une fréquence comprise entre 1kHz et 1GHz, impédance de la paire diff adaptée à 100ohm +-15% pour une fréquence comprise entre 1MHz et 1GHz, temps de propagation < 5.7ns/m@10MHz, le type de blindage et l'appairage en longueur ne sont pas spécifiés).[1] Catégorie 6 / classe E La catégorie 6 est un type de câblage permettant une bande passante de 250 Mhz et plus (norme ANSI/TIA/EIA-568-B.2-1 et ISO/CEI 11801 ed.2). Catégorie 6a / classe Ea Actuellement à l'état de brouillon, la future norme 6a s'oriente vers une extension de la catégorie 6 pour une bande passante de 500 Mhz (norme ANSI/TIA/EIA-568-B.2-10). On utilise les testeurs Fluke sur un lien permanent (boucle sur 2 prises murales) et on obtient les valeurs suivantes : − Norme de test : Catégorie 5e UTP, suffisant pour le réseau utilisé (100 Mbps) − impédance caractéristique : 100 ohms − Longueur : 86,30 m − vitesse de propagation : 86,3/417.10-9 = 2,08.108 m/s à 86,3/433.10-9 = 2,07.108 m/s

Le câblage passe tous les tests sur la norme choisie (catégorie 5), sur toutes les paires. Conclusion : le câble testé est adapté au réseau sur lequel il est connecté (impédance 100 ohms et test ok) et sa vitesse de propagation est conforme aux attente : environ 2/3 de la vitesse de la lumière pour du fil de cuivre.