cnam - la transmission_coaxiale

5/13/2018 CNAM - La Transmission_coaxiale - slidepdf.com

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Cours B11 - TRANSMISSION DES TELECOMMUNICATIONS - Partie 2 - Chapitre 4

Le câble coaxial

- Deux conducteurs concentriques- Diélectrique entre les 2 conducteurs- Deux impédances 50 ΩΩΩΩ et 75 ΩΩΩΩ

d

conducteur intérieur conducteur extérieur

diélectrique ou air

D



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Le câble coaxial

Les principaux types de câbles utilisés en téléphonie en France :

- Câble : 2,6/9,5 mm à 4 paires coaxiales,de bande passante maximale 12 MHz (2700 voies)

- Câble : 1,2/4,4 mm avec de 4 à 28 paires coaxiales,de bande passante maximale 12 MHz (2700 voies)

- Câble 3,7/13,5 mm avec de 4 à 10 paires coaxiales,

de bande passante maximale 60 MHz (10 800 voies)

Le rapport des diamètres D/d est constant et égal à 3,6



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Le câble coaxial

- Toute la gamme basse des hyperfréquences (1-12 GHz) sous forme decâbles souples- Au delà de la bande X, câble semi-rigide (jusqu’à 60 GHz)

Le câble coaxial possède des caractéristiques supérieures à celles de lapaire torsadée :

débit plus élevépeu sensible aux perturbations électromagnétiques



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Le câble coaxial

En transmission numérique, utilisation de câbles d’impédance 50 ΩΩΩΩ

pour les réseaux locaux sur des distances de l’ordre du km, à des débits de

34 à 140 Mbits/s.

En transmission analogique, utilisation de câbles d’impédance 75 ΩΩΩΩ, sur

des liaisons longues distances, pour des signaux de 1,3 à 60 MHz.

Amplification et régénération, des signaux à l’aide de répéteurs

espacés régulièrement (2 à 9 km en moyenne).

C'est un support difficile à poser (poids, rigidité) et à raccorder (nombred'épissures, connectique délicate).



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Le câble coaxialIl s’est beaucoup développé dans les années 1970 pour les lignes

numériques à grande distance (LGD).

- Remplacé dans les réseaux à longue distance par la fibre optique(atténuation, encombrement et coût inférieur du fait de sa grande

capacité et de la grande distance entre répéteurs)

- Concurrencé dans les réseaux locaux informatiques haut débitpar la paire torsadée (plus souple et moins chère), les équipementsd'extrémité compensant l'atténuation.

Principale application du câble coaxial : la distribution vidéo.



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Le câble coaxial

Réseaux locaux haut débit,Distribution vidéo, Feeder d’antennes

Applications

élevéCoût des installations

faibleCoût des interfaces

élevéCoût du support

correcteConfidentialité

faibleSensibilité à la diaphonie etaux brouillages

faible, mais augmente avec la fréquenceAtténuation

élevée (centaines de MHz)Bande passante



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Le câble coaxialQuelques standards en matière de câblage :

- 10 base 5 - Thick Ethernet : premier câble Ethernet standardiséappelé aussi «Yellow cable», ou «tuyau d’arrosage».Câble coaxial blindé de 50 ΩΩΩΩ, terminé par une charge de mêmeimpédance, de diamètre de près de 2 cm, utilisable sur des distancesde 500 m sans ré-amplification du signal électrique.

- 10 base 2 - Thin Ethernet : câble coaxial fin de 50 ΩΩΩΩ, appelé aussi«CheaperNet». La longueur maximale sans répéteur est de 185 m.



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R : résistance linéique

L : inductance linéiqueC : capacité linéiqueG : conductance linéique

avec G = Cωωωω tanδδδδ, avec δδδδ l’angle de perte du diélectrique

Modèle

Le câble coaxial

v v + dv

i i + di

dz

R L

C G



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Le câble coaxial

γ γγ γ : constante de propagationαααα : atténuation linéique (Np/m)

pertes métalliques (effet de peau)

pertes diélectriquesββββ : déphasage linéique (rad/m)

distorsion ou non suivant leur relation en fonction de la fréquence.

L'équation des télégraphistes admet comme résultat : V =V°e−γ γγ γ t

γ γγ γ ==== αααα ++++ jββββ ==== R ++++ jLωωωω(((( )))) G++++ jCωωωω(((( ))))



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Le câble coaxial

L’impédance caractéristique Zc

Les constantes ν νν ν1, i1, ν νν ν2, i2 sont déterminées par les conditions initiales.Elles sont liées par l’impédance caractéristique Zc.

Z quelconque

Réflexion de l’onde incidente

Zc ==== ν νν ν1

i1==== ν νν ν 2

i2

====R++++ jLωωωω

G++++ jCωωωω

ν νν ν 2 ==== ρρρρν νν ν1 avec ρρρρ ==== Z−−−− ZcZ++++ Zc

Zc ligne detransmission

ν νν ν1 ν νν ν2



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Le câble coaxial

Réflexion totale, ρρρρ = ± 1,si l’extrémité de la ligne est en court-circuit ou en circuit ouvert.

Pas de réflexion, ρρρρ = 0,si l’extrémité de la ligne est chargée sur l’impédance caractéristique.

ν νν ν 2 ==== ρρρρν νν ν1 avec ρρρρ ====Z−−−− Zc

Z++++ Zc

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Coefficient de réflexionOn pose Γ ΓΓ Γ =

V aller

V retour

Le taux d'onde stationnaire TOS est égal à

V aller- V retour

V aller + V retour =V aller

V aller

1- V retour/ V aller

1+ V retour/V aller

1+Γ ΓΓ Γ

1-Γ ΓΓ Γ TOS =

En tout endroit, on a Z =I aller- I retour

V aller + V retour

I aller

V aller

1- I retour/ I aller

1+ V retour/V aller= Zc

1- Γ ΓΓ Γ

1+ Γ ΓΓ Γ =

Z

Zc

TOS =

V aller

V retour

G

V min

Vmax

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Le câble coaxial

Cas idéal de la ligne sans pertes :

Le conducteur est supposé parfait R = 0 et le diélectrique parfait G = 0

La constante de propagation devient alors simplement :

Soit un affaiblissement nul : αααα = 0

γ γγ γ ==== jLωωωω(((( )))) jCωωωω(((( )))) ==== jωωωω LC

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Le câble coaxialLigne à faible pertes

Si l’affaiblissement dû à R et à la conductance G est faible, alorsG = 0 et R << Lωωωω

Dans ce cas : Zc ====

R ++++ jLωωωω

jCωωωω ====

L

C 1−−−− j

R

Lωωωω

comme 1−−−− x ≈≈≈≈ 1−−−−x

2quand x <<<<<<<< 1

Zc ≈≈≈≈L

C1−−−− j

R

2Lωωωω

≈≈≈≈

L

C

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Le câble coaxialLes pertes dans les conducteurs métalliques - Effet de peau.

- En courant continu, la densité de courant dans un conducteur est uniforme.- En courant alternatif, densité de courant n’est plus uniforme.Tout se passe comme si le courant se concentrait dans une «peau» située àla surface externe du conducteur.

δδδδ l’épaisseur de peau :

avec µµµµ = µµµµ0 µµµµr perméabilité du matériau (H.m-1)σσσσ : conductivité du matériau conducteur (ΩΩΩΩm)-1

δδδδ ====1

ππππσσσσµµµµf

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Le câble coaxialLes pertes dans les conducteurs métalliques - Effet de peau

Si le conducteur est du cuivre,alors µµµµ = 4ππππ 10-7 H.m-1 (µµµµ = µµµµ0 µµµµr )

σσσσ = 5.85 107 (ΩΩΩΩm)-1

L’atténuation due aux pertes métalliques augmente avec la fréquence

suivant une loi en

2 µµµµm9,3 µµµµm0,65 mm9,3 mmδδδδ

1 GHz50 MHz10 kHz50 Hzf

f

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Le câble coaxialLes pertes dans les diélectriques

La conductance linéique G (terme très faible) est due au déplacement descharges dans le diélectrique, non parfait, qui sépare les conducteurs.

- Avec les matériaux du type téflon, on peut considérer ces pertes

comme négligeables aux fréquences inférieures à 100 MHz.- Jusqu’à 1 GHz, leur influence est négligeable devant les pertes pareffet de peau.

L’atténuation due aux pertes diélectriques augmente avec la fréquencesuivant une loi en f. Cette atténuation ne devient prépondérante qu’en trèshaute fréquence, lorsque G n’est plus négligeable.

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Le câble coaxial

r1

r2

r, l, c, résistance, inductance et capacité linéiques

r ====1

2

fµµµµ0µµµµr

ππππ

1

r1 σσσσ1

++++1

r2 σσσσ 2

ΩΩΩΩ.m−−−−1

(((( ))))l ====

µµµµ0µµµµr

2ππππLog

r2

r1

c ====2ππππεεεε0εεεεr

Logr

2r1

avecεεεε0 ====

1

36ππππ.10−−−−9F.m−−−−1

µµµµ0 ==== 4.ππππ.10−−−−7

H.m−−−−1

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Le câble coaxial

Si r2 est constant, αααα est minimum pour

Si εεεεr = 1 (air), alors

Cependant, cette condition n’est pas critique.

r1

r2r ==== 1

2µµµµfππππ

1r1 σσσσ1

++++ 1r2 σσσσ 2

ΩΩΩΩ.m−−−−1(((( ))))

dααααdr1

==== 0

r2

r1

==== 3.6

2 3 4 5 6 7

1,2

αααα / ααααmin

1,1

1r2

r1

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Le câble coaxialSi r1 = 0.05 cm, r2 = 1 cm, εεεεr = 2.3 et tanδδδδ = 5.10-4

alors

57%12%31%1,231010

29%19%52%2,35.10-1109

12%23%65%6.10-2108

4%25%71%1,75.10-2107

1%26%73%5,3.10-3106

isolanttube

extérieurfil central

f(Hz)

Pourcentage des pertesAtténuationtotale

(dB/m)

r1

r2

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Le câble coaxial

2,5.10-43.10-43.10-4pour f = 1 GHz

2.10-41.10-42.10-4pour f = 100 MHz

2.10-41.10-42.10-4pour f = 1 MHz

facteur de perte

10-1510-1610-15σσσσ (ΩΩΩΩm)-1

2,12,562,26εεεεr

téflonpolystyrènepolyéthylène

Matériaux utilisés

comme isolant

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Le câble coaxialUne ligne de transmission est un guide propageant au moins un mode

de type TEM.Le spectre de fréquences est discret pour les guides fermés

Notion de mode :

Il existe 4 familles de mode :- Les modes TE (transverse electric)- Les modes TM (transverse magnetic)- Les modes TEM (transverse electric-magnetic)- Les modes hybrides HE

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Le câble coaxialSi l’énergie n’a qu’une seule possibilité (mode de propagation) de se

propager dans la bande de fréquence utilisée, alors le guide est monomode,sinon le fonctionnement est multi-modal.

L’énergie de la source est répartie sur un nombre important de modes quise propagent indépendamment les uns des autres.

Rq : Un guide n’est pas naturellement monomode ou multimode, mais sonfonctionnement dépend du rapport entre ses dimensions physiques et lalongueur d’onde utilisée.

Ex : Un guide monomode dans la bande X (8,3;12,4 GHz) est multimode au-dessus de 12,4 GHz, et très fortement multimode dans les bandesmillimétriques.

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Les réseaux coaxiaux dedistribution TV

Objectif : Permettre de recevoir la TV dans des zones non couvertes par ladiffusion hertzienne (vallées de l'est des USA, en France dans les Vosges)

Très rapidement, la bande transmise (VHF soit 120 - 330 MHz) va devenirVHF + UHF soit 120 MHz - 860 MHz.

Les matériels utilisés sont principalement les suivants (hors câbles) :

- amplificateurs régulés ou non

- répartiteurs

- points de branchement

- téléalimentations avec injecteur et stop-courant.

Plusieurs structures de réseau peuvent être imaginées.

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Structure type Amérique du Nord : longue chaîne en transport,

2 à 3 amplis en distribution.

Têtede

réseau

Amplis de distribution

Amplis de transport (trunk)

Niveau faible

Niveau fort

Distributeur

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Structure 0G : 6 amplis en cascade entre la TdR et l'abonné au maximum.

Point de Branchement

Tête

de

réseau

Distributeur

Distributeur

Distributeur

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Ingénierie des réseaux de distribution TV

Plan de fréquences

470 - 860 MHzUHF

120 - 340 MHz

217 - 300 MHz

300 - 470 MHz

VHF

VHF super bande

VHF hyper bande

88 - 107 MHzFM

47 - 85 MHzVoie numérique PB!!!!Ab

10 - 30 MHzVoie numérique Ab!!!!PB

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Cumul des rapports S/B

Cumul des IM3

Cumul des IM2

−10 log 10

−1

10

S

B

∑

−10 log 10−

IM 2

10

∑

(C/N)5,58 MHz = (C/N)1MHz - 7,5 dB ( soit 10 log 5,58)(S/B)5,58 MHz = (C/N)5,58 MHz + 2,8 dB (gain de modulation)

La pondération ajoute 9 dB au S/B : (S/B)W = (C/N)1MHz - 4,2 dB

−20 log 10−

IM3

20

∑

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Egaliseur

Egaliseur

Atténuat.

Atténuat.

G 32dB

G 27dB

G 12dBAtténuat. Egaliseur

UHF

VHF

Voie de RetourVers la Tête de Réseau Vers l'Abonné

Amplificateur à deux bandes + voie de retour

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4 dB à 860 MHzERaccordement1/2

5,5 - 10,5 dB à 860 MHzERaccordement1/2 disym.

8 dB à 860 MHzERaccordement1/4

AffaiblissementTypeUtilisationModèle

E

E

E

3,5/12

3,5/12

3,5/12

3,5/12

0,75/4,8

1,7/6,9

4,1/16

4,9/19,4

7,3/28,8

16 dB à 860 MHz (typ : 25m)Raccordement1/16

8 dB à 860 MHzRaccordement1/4

4 dB à 860 MHzRaccordement1/2

1,5 dB à 860 MHzDistributionInjecteur

9 dB à 860 MHzDistribution1/4

5,5 - 10,5 dB à 860 MHzDistribution1/2 disym.

5 dB à 860 MHzDistribution1/2

26 dB/100m à 860 MHzRaccordementCâble C6

10,9 dB/100m à 860 MHzDistributionCâble B4

4,9 dB/100m à 860 MHzRépartitionCâble A2



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Le premier et le dernier amplis ne sont jamais régulés. Le dernier est

terminé en connectique E. Cette connectique est incompatible avec le courantde téléalimentation : il faut utiliser du 3,5/12 en distribution.

Tous les amplis sont réglés au même niveau de sortie (maintenance plusaisée) et sans penchette. Seul l'ampli terminal est compensé afin que le

niveau soit constant dans la bande à l'arrivée chez l'abonné.Le nombre d'amplis en cascade est généralement limité par l'IM3.

On limite à 5 le nombre de passifs derrière l'ampli terminal. Dans cesconditions, l'ondulation n'est pas prise en compte dans les calculs.

La régulation des amplis est assurée par deux fréquences pilote.

Nota : 0dBµV = -108,7 dBm = puissance d'une tension de 1µV sur 75 ΩΩΩΩ

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Performances à la tête de réseau :

-Niveau : 69 dBµV

-(C/N)5,58 = 64 dB

-IM2 = 70 dB pour 54 canaux


Performances à la prise d'abonné :

-Niveau : 60 dBµV

-(C/N)5,58 = 47 dB



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C/N = NS - (F+G+Bth)

IM2 = 60 + (N'S0-NS-C') - E

IM3 = 52 + 2 (NS0-NS-C)

F est le facteur de bruit (10 dB)

G est le gain (32 dB à 860 MHz)

Bth est le bruit thermique (2,4 dbµV)

NS est le niveau de sortie (110 dBµV)NS0 est le niveau de sortie à n1 = 15 porteuses pour IM3 = 52 dB (122 dBµV)

N'S0 est le niveau de sortie à n1 = 15 porteuses pour IM2 = 60 dB (120 dBµV)

C = C' = 10 log (n2/n1) n2 étant le nombre de canaux réellement utilisés

E = NS860 - NS120 = 5 dB pour le seul dernier ampli

Pour un amplificateur

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Ingénierie d'un réseaux de distribution TV à

54 canaux

45 abonnés

30 abonnés

15 abonnés

200 m

400 m 200 m

100 m

100 m

50 m

100 m400 m

250 m

200 m

400 m

200 m 200 m

100 m 200 m

300 m

100 m

200 m

Ch ChChCh

Ch Ch Ch

Ch Ch

TdR

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Modem câble

Comparaison des performances du service DSL de SBC ,avec celles d’unmodem câble de Excite@homesuite à des tests faits dans la région de la baiede San Francisco.

Téléchargement de 150 000 pages à partir de 40 sites Web populaires : lemodem câble est plus rapide dans la journée, mais plus lent aux heures depointe que le DSL.

Jou rnÿe S oi r ÿeŹ

DS L 4.30s 3.55s

Mode m c‰ble 3.68s 3.97s

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Modem câble

Flux descendant d’un modem câble de type DOCSIS (Data Over CableService Interface Specification) transmet un débit de 36 Mbit/s avec unecapacité utilisable de 27 Mbit/s

Le circuit à 27 Mbit/s est partagé vers tout le groupe d’usagers : engénéral inférieur à 500, en moyenne 125 utilisateurs dont un tiers sont enactivité, soit environ 40.

Cela fait 675 kbit/s par abonné.

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Modem câbleEn technique numérique, l’exploitant capte plusieurs chaînes de

télévision, compresse les signaux et les émet ensuite sur un canal de 8 MHz.

Chez l’abonné, un boîtier décodeur permet de décrypter lestransmissions numériques et de les retransmettre en télévision analogique.

Les systèmes numériques pouvant compresser 6 à 10 chaînes sur unebande de fréquence de 8 MHz, il y a donc un total potentiel d'environ 1000chaînes de télévision sur un système de 750 MHz.

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Modem câble

Sécurité :Le modem câble a accès à toutes les trames sur le canal en aval, mais

il filtre toutes celles qui ne lui sont pas destinées.

Visionner les images de quelqu’un d’autre impliquerait dedésassembler le modem câble et d’isoler le signal après qu’il a étédémodulé, mais avant qu’il ne passe par le système de reconnaissanced’adresse.

- matériel perfectionné- compréhension poussée de la structure physique du modem

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Modem câble

Sécurité :Le modem DSL ne fournit en général pas de cryptage. Il "suffit" d’obtenir

l’accès physique d’une ligne extérieure.

Aussi, dans tous les cas, l’abonné devra utiliser un tunnel protégé assu-rant la sécurité depuis la source jusqu’au destinataire.

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Bibliographie

- « Démystification des modems câble » par M. FinneranDigital Communications and Services, n°6, octobre 2000, pp. 47-50

- « Propagation, Rayonnement, Electromagnétisme » - Cours B8Electronique CNAM, J. Salset, M. Terré

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