Word 2007

TP13
Transmissions libre et guidée
Objectifs de la séance :
-
Identifier les éléments d’une chaîne d’information ;
Exploiter des informations pour comparer les différents types de transmission ;
Comment les nombreuses informations que nous échangeons
quotidiennement sont-elles transmises ?
DOCUMENTS MIS A DISPOSITION :
DOC. 1 : Les pertes dans un câble coaxial
La résistance d'un conducteur augmente comme la racine carrée de la fréquence ; c'est ce qu'on appelle l'effet
pelliculaire. Les pertes produisent une diminution de l'amplitude du signal en fin de ligne ; cela se manifeste par
exemple par une diminution de la puissance RF rayonnée dans le cas d'un émetteur.
Voici quelques règles concernant les pertes dans un câble coaxial :
-
Plus le diamètre du conducteur est petit, plus grand sera sa résistance, et donc plus il y aura de pertes ;
Plus la fréquence augmente, plus il y aura de pertes ;
Plus on augmente la longueur du câble, plus il y aura de pertes ;
Les câbles coaxiaux son référencés par un code indiquant la perte par unité de longueur :
-
Les pertes dans un câble de référence « 19 VATC » sont de 19 dB/100 mètres à une fréquence de référence
de 790 MHz ;
-
Les pertes dans un câble de référence « 11 VREC » sont de 11 dB/100 mètres à une fréquence de référence
de 790 MHz.
 La lettre V commune à ces deux codes désigne la composition de la gaine : ici en PVC.
 Les lettre suivantes désignent la nature du ruban et la composition de la tresse (A = aluminium, R = cuivre).
DOC. 2 : Le câble coaxial
Le câble coaxial ou ligne coaxiale est une ligne de transmission ou
liaison asymétrique, utilisée en hautes fréquences, composée d'un
câble à deux conducteurs. L'âme centrale, qui peut être mono-brin
ou multi-brins (en cuivre ou en cuivre argenté, voire en acier
cuivré), est entourée d'un matériau diélectrique (isolant). Le
diélectrique est entouré d'une tresse conductrice (ou feuille
d'aluminium enroulée), puis d'une gaine isolante et protectrice. Sa forme particulière permet de ne produire (et de ne
capter) aucun flux net extérieur.
Source : Wikipedia.org
Grandeurs caractéristiques d’un câble coaxial :
-
L’atténuation d’un signal électrique est affaiblissement de l’amplitude du signal au cours de la transmission.
Elle se note A et s’exprime en décibel (symbole : dB) :
UE  amplitude de la tension du signal électrique en entrée du câble (en V)

US  amplitude de la tension du signal électrique en sortie du câble (en V)
U 
A  20  log  E 
 US 
-
Le coefficient d’atténuation linéique d’un câble coaxial représente l’atténuation par unité de longueur que
subit un signal électrique dans ce câble. Il se note  et s’exprime en décibel par mètre (symbole : dB.m–1) :

A
U 
1
  20  log  E 
 US 
 U E  amplitude du signal en entrée (en V)
 U  amplitude du signal en sortie (en V)
 S

  longueur du câble (en m)
  coefficient d'atténuation (en dB.m 1 )

DOC. 3 : Atténuation linéique d’un signal
L'atténuation linéique , correspondant à la diminution de la puissance du signal par kilomètre et exprimée en
dB/km, est définie par :
P 
10

 log  e 
L
 Ps 
Pe  puissance du signal à l'entrée du dispositif de transmission

Ps  puissance du signal à sa sortie
L  distance parcourue par le signal (en km)

DOC. 4 : Atténuation spectrale d’une fibre optique en silice
DOC. 5 : Réfraction de la lumière
Loi de Snell-Descartes pour la réfraction :
n1  sin i1 = n2  sin i2
Normale
Normale
Normale
i1
dioptre
i1
Milieu
(indice n1)
I
dioptre
I
n1)
r
Milieu
(indice n1)
dioptre
I
i2 = 90°
e
90°
Milieu
(indice n2)
Milieu
(indice n2)
n2)
i1  i1lim
i1 < i 1
lim
;
sin i1lim 
Réfraction (+ faible réflexion)
n2
n1
i1 > i 1
lim
Réflexion totale
Réfraction limite
DOC. 6 : Comparaison entre une fibre optique et un fil de cuivre
Fibre optique
Fil de cuivre
Sensibilité nulle aux ondes électromagnétiques
Grande sensibilité aux ondes électromagnétiques
Faible atténuation du signal : 0,2 dB/km
Forte atténuation du signal : 10 dB/km
Réseau faiblement implanté géographiquement Réseau fortement implanté géographiquement
Grande largeur de bande : grande quantité
Largeur de bande limitée : la quantité d'informations transmises
d'informations transportées simultanément
est très limitée
DOC. 7 : Les liaisons hertziennes
Le support de transmission est une onde électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 10 -3 m et 10 4 m :
L’atténuation dépend du milieu traversé :
Matériau
Atténuation
béton
forte
métal
forte
plâtre
moyenne
bois
faible
verre
faible
brique
faible
Le débit dépend de la technologie utilisée pour émettre l’onde électromagnétique (Wifi : 11 Mbits/s sur 100 m ;
Bluetooth : 1 Mbits/s sur 10 m avec une faible consommation d’énergie. Pour la téléphonie mobile : GSM : 9,6 kbits/s
sans trop d’atténuation grâce à des relais ; 100 kbits/s pour la 3G, 100 Mbits/s pour la 4G…).
1. Transmission par fibre optique (étude qualitative)
1.1. Transmission libre et guidée
La fibre optique transporte l’information grâce
à la lumière issue d’une diode infrarouge, d’une
DEL ou laser dans le cas de la fibre monomode.
Elle est amenée à être utilisée comme outil
principal d’accès à internet.
Montage expérimental :
Microphone
-
Le module émetteur (à gauche) contient un module microphone, un module préamplificateur et un module
émetteur (diode laser) avec connecteur pour fibre optique ;
-
Le module récepteur (à droite) contient un connecteur pour fibre optique (photodiode), un module
amplificateur, un haut-parleur.
Protocole expérimental :
 Alimenter le bloc « émetteur » à l’aide d’un générateur 12V, et le bloc « récepteur » à l’aide d’un autre
générateur 12V ;
 Connecter la fibre optique entre les deux blocs et les éloigner le plus possible l’un de l’autre ;
Le bloc émetteur contient un microphone (petit cylindre gris).
 À l’aide d’un lecteur MP3 ou de votre voix, envoyer un signal musical à travers le montage et s’assurer de sa
réception dans le haut-parleur du bloc « récepteur » ;
 Déconnecter la fibre optique et placer la diode laser en face de la photodiode réceptrice. Essayer à nouveau
d’envoyer le signal sonore.
 Reproduire la même expérience mais en intercallant un écran entre la diode laser et la photdiode. Faîtes
plusieurs essais.
Questions
Q1. Le signal sonore traverse-t-il les écrans.
Q2. Conclure sur les avantages de la transmission par fibre par rapport à la propagation libre.
1.2.
Qualité de transmission d’une fibre
Avec le développement des télécommunications, la transmission libre atteint ses limites: en effet, les bandes de
fréquences allouées aux diverses utilisations ne sont pas infinies. On remplace progressivement la transmission libre
par de la transmission guidée par des fibres optiques.
On se propose de transmettre un signal sonore à l’aide d’un dispositif (ci-dessous) appelé « fibroptonic »
comprenant un encodeur, une fibre optique et un décodeur.
Montage expérimental :
Protocole expérimental :
 Diriger une extrémité de la fibre optique vers une source lumineuse tout en observant l’autre extrémité.
 Relier l’encodeur à la fibre optique et observer l’autre extrémité.
 Connecter le décodeur à la fibre optique.
 Émettre un son face au microphone sur l’encodeur puis écouter en sortie du haut-parleur du décodeur.
 Si l’écoute est satisfaisante, brancher un système d’acquisition (console + LatisPro) à la sortie du décodeur et
refaire l’expérience avec une période d’échantillonnage Te de 100 µs et une durée totale de 50 ms par exemple.
Trajet des ondes dans une fibre optique :
2. Transmission par câble coaxial (propagation guidée)
Une ligne coaxiale est un ensemble de deux conducteurs séparés par un
matériau isolant entre lesquels peuvent circuler des ondes
électromagnétiques. Il est constitué d’une âme en cuivre, et d’une tresse
métallique, séparées par un isolant. La tresse joue le rôle de « cage de
Faraday » et atténue la réception de signaux électromagnétiques parasites.
Ces câbles sont utilisés pour le transport de signaux TV (f = 2,4 GHz) ou TNT
(5 MHz < f < 800 MHz), c'est-à-dire des signaux de haute fréquence.
Les câbles sont des lignes guidées entre un émetteur et un récepteur. À des fréquences élevées, les signaux
électriques créés se comportent comme des ondes.
Dispositif expérimental :
L’étude d’un câble peut être réalisée à l’aide du montage ci-dessous : le GBF est l’émetteur, le câble est le canal et le
récepteur contient un instrument de mesure (un oscilloscope numérique).
Protocole expérimental :
 Réaliser le montage expérimental ci-dessus en utilisant la câble de
référence « 11VREC » de 80 m ;
 A l’aide du GBF, envoyer un signal électrique dans le câble coaxial
(voir schéma ci-dessus) de longueur 80 m (gros rouleau) ;
Caractéristique du signal électrique :
-
Type de signal : sinusoïdal.
Fréquence : 2,2 MHz (valeur maximale du GBF).
Tension : 5 V (valeur maximale du GBF réglée avec le bouton « Level »).
 Visualiser, à l’aide de l’oscilloscope numérique, les tensions d’entrée
et de sortie du câble coaxial.
 Recommencer les étapes ,  &  en utilisant le câble de référence
« 19VAtc » de 17 m (petit rouleau).
 Pour chaque câble étudié, calculer son coefficient d’atténuation après avoir mesuré les tensions maximales de
sortie US max et d’entrée UE max pour la fréquence de 2,2 MHz.
3. Transmission par voie hertzienne (propagation libre)
Schéma de l’expérience réalisée en 1885 par
Heinrich HERTZ.
Les ondes hertziennes sont des ondes
électromagnétiques ; elles permettent
la
transmission
rapide
de
l’information, par le biais d’antennes
qui émettent et reçoivent ces ondes se
propageant dans toutes les directions.
On se propose de montrer l’influence de la fréquence des ondes hertziennes sur leur propagation.
Le dispositif expérimental comprend :
- Un dispositif d’émission d’ondes électromagnétiques constitué d’une antenne reliée à la sortie d’un GBF ;
 Un premier oscilloscope permet d’observer le signal généré.
- Un dispositif de réception constitué d’une antenne de réception relié à un deuxième oscilloscope.
Protocole expérimental :
 Régler le GBF initialement sur une tension sinusoïdale de fréquence 1 kHz, avec une amplitude la plus grande
possible ;
 Placer les deux antennes à quelques centimètres l’une de l’autre et régler les oscilloscopes de façon à visualiser
les signaux.
Questions
Q6. Faire un schéma simple du montage.
Q7. Quelle est l’amplitude du signal émis ? du signal reçu ?
Q8. Quelle est la fréquence du signal reçu ? Comparer avec celle du signal émis.
Réaliser une expérience montrant l’influence de la fréquence du signal émis sur les caractéristiques du signal reçu.
Q9. Noter vos observations sur chaque situation expérimentale puis rédiger une synthèse sur les propriétés de la
propagation des ondes hertziennes.
Q10. Pourquoi utilise-t-on des ondes de hautes fréquences pour la transmission d’informations ?
4. Résolution de problème scientifique
Le très haut débit pour tous les Bretons d'ici à 2030
La Bretagne prend de l'avance sur le très haut débit. Elle est, avec la région Auvergne, la seule à avoir
anticipé le maillage en fibre optique de l'intégralité de son territoire. D'ici à 2030, tous les foyers bretons auront
accès à cette technologie qui augmente considérablement le débit des connexions Internet. De 1 à 20 mégabits
par seconde, il passera à 100 mégabits par seconde, et dans toute la région !
Au cœur de cette petite révolution : l'installation de la fibre optique. Télévision haute définition, téléphone,
Internet, photographies et vidéos transiteront désormais grâce à cette fibre optique très rapide... Un opérateur
privé installera la fibre optique dans les principales agglomérations bretonnes, couvrant 40% des foyers en
2020... Coût global pour les institutions : 1,8 milliard d'euros.
D'après Bretagne ensemble, Juin 2012.
En vous appuyant sur les divers documents mis à votre disposition, de vos connaissances personnelles et de ce que
vous avez appris au cours de cette activité, rédigez une réponse argumentée à la question suivante :
La fibre optique est-elle synonyme d’avenir incontournable pour la transmission d’informations ?
Pour construire et développer votre argumentation,
-
vous commencerez par décrire le principe d'une chaine de transmission ;
vous comparerez les différents types de transmission (par câble, par fibre et par onde hertzienne) en
présentant les points faibles et les points forts de chaque mode ;
-
vous expliquerez le principe de fonctionnement d'une fibre optique, déterminerez quel est le domaine du
spectre électromagnétique à utiliser pour obtenir une transmission d'atténuation minimale avec une fibre
optique en silice ;
-
vous préciserez ensuite les enjeux pour le déploiement de nouveaux réseaux de transmission d'informations
par fibre optique ;
-
enfin, vous répondrez à la question posée en début d’activité.
La qualité de la rédaction, la structuration de l’argumentation, la rigueur des calculs éventuels, ainsi que toute
initiative prise pour mener à bien la résolution du problème seront valorisées.
CORRECTION
1. Transmission par fibre optique (étude qualitative)
1.1. Transmission libre et guidée
Q1. Le signal sonore ne traverse pas l’écran puisqu’il est converti en signal lumineux qui est arrêté par l’écran.
1.2.
Qualité de transmission d’une fibre
Q3. On observe un point lumineux à l’extrémité de la fibre lorsqu’elle est reliée à la source lumineuse et pas de
lumière lorsqu’elle est reliée à l’émetteur.
Q2. Avantages de la transmission par fibre optique :
Q4. La longueur d’onde de la radiation émise par l’émetteur est au-delà de 800 nm ; elle se situe au-delà du
rayonnement visible, dans les infrarouges.
Q5. Le rayon incident et le rayon réfléchi appartiennent au plan d’incidence. Les directions des rayons sont telles que
ir = i1 :
2. Transmission par câble coaxial
Le signal réfléchi possède une amplitude plus petite que celle du signal émis à cause du phénomène
d’affaiblissement du signal au cours de sa transmission. On observe également que la forme des impulsions est
modifiée (phénomène de dispersion).
Calcul du coefficient d’atténuation :
Le calcul dépend des valeurs relevées lors de la séance
Remarque : cette valeur est éloignée de celle habituellement indiquée par les fabricants de câbles coaxiaux
car celle-ci est donnée pour des signaux de fréquences de l’ordre de 800 MHz (atténuation de 11 ou 19 dB pour
100 m, soit un coefficient d’atténuation de 0,11 ou 0,19 dB.m−1).
3. Transmission par voie hertzienne
Q6. Schéma du montage :
Q7. Quelle est l’amplitude du signal émis ? du signal reçu ?
Q8. Quelle est la fréquence du signal reçu ? Comparer avec celle du signal émis.
Q9. Réaliser un tableau pour montrer que l’amplitude du signal reçu dépend de la fréquence du signal émis.
 Pour une amplitude constante du signal émis, l’amplitude du signal reçu augmente lorsque la fréquence du signal
émis augmente.
Les ondes électromagnétiques de hautes fréquences sont mieux transmises par voie hertzienne que les ondes
électromagnétiques de basses fréquences.
Q10. D’après ce qui précède, l’amplitude du signal reçu est d’autant plus grande que la fréquence du signal émis est
élevée. Pour limiter l’atténuation, il est donc préférable d’émettre avec de hautes fréquences.
4. Résolution de problème scientifique
Il n’y a pas de correction type…
Exemple n°1 de synthèse :
La transmission de l’information peut se faire par voie aérienne, par câble électrique (fil de cuivre) et par fibre
optique (doc.5).
Dans une fibre optique, la lumière se propage grâce à une succession de réflexions totales entre le cœur et la gaine.
Pour cela, l’indice de réfraction n1 du cœur de la fibre doit être supérieur à l’indice n2 de la gaine et l’angle
d’incidence  de la lumière doit être supérieur à l’angle d’incidence limite lim tel que sin(lim ) 
n2
n1
(doc.6 & 7).
La transmission d’informations par fibre optique présente de nombreux avantages par rapport à la transmission par
câble électrique : insensibilité du signal transmis aux perturbations extérieures, faible atténuation du signal et
grande largeur de bande permettant un grand débit d’informations (doc 5). En revanche, contrairement au réseau
électrique, la pose d’un réseau de fibres optiques génère des coûts d’installation importants et son implantation ne
couvre pas aujourd’hui tout le territoire national (doc. 1 & 5).
Ainsi, malgré ses nombreux avantages, la fibre optique ne constitue pas l’unique solution d’avenir pour la
transmission des informations.
Exemple n°2 de synthèse :
Nous pouvons citer trois types de support de transmission de l’information : le fil de cuivre (câble coaxial), la fibre
optique et les transmissions hertziennes.
Pour guider la lumière, la fibre optique comprend un cœur, où l’énergie lumineuse est confinée, et une gaine, dotée
d’un indice de réfraction plus faible. Lors du passage d’un milieu donné d’indice n1 dans un milieu moins réfringent
d’indice n2, le rayon réfracté n’existe pas toujours. Il existe un angle limite lim au-delà duquel le rayon de lumière ne
change pas de milieu. Ce rayon est alors complètement réfléchi : c’est le phénomène de réflexion totale (document
5).
Les avantages de la transmission de données par fibre optique sont nombreux. Les fibres optiques ne sont pas
sensibles aux interférences extérieures (document 6). La perte de signal sur une grande distance est bien plus faible
par rapport à une transmission électrique dans un conducteur métallique. Les fibres ne s’échauffent pas et
permettent de transporter simultanément une grande quantité d’informations (documents 1, 2 & 6). La pose de
fibre optique génère des coûts importants à cause des travaux d’enfouissement. Contrairement au réseau en cuivre,
la fibre optique ne dessert pas toutes les localités en France d’où les efforts financiers conséquents que vont devoir
réaliser les régions (coût global pour les institutions en Bretagne : 1,8 milliards d’euros).
En conclusion : il n’y a pas de solution unique, il n’y a pas de solution pérenne pour la transmission d’informations.
Exemple n°3 de synthèse :
Divers supports de transmission sont utilisés actuellement : le câble électrique, l'air, mais aussi la fibre optique.
Les câbles et les fibres optiques utilisent tous les deux la propagation guidée, mais les signaux n'ont pas la même
nature. Alors que dans les cas des câbles, les signaux sont transmis sous forme de signaux électriques, ce sont des
radiations -visibles ou invisibles- qui transmettent l'information dans la fibre optique. Une autre différence est le
coefficient d'atténuation linéique, caractérisant l'atténuation du signal entre l'entrée et la sortie du support utilisé
(câble électrique ou fibre optique). Alors qu'un câble électrique a une atténuation élevée, empêchant ainsi la bonne
transmission des informations sur de longues distances, la faible atténuation de la fibre optique en fait le support
privilégié dans le cadre de communications sur de très longues distances.
Cependant, une telle différence entre les deux technologies implique un coût différent. On note aussi une fragilité de
la fibre optique, le plus souvent constituée de verre et protégée par une gaine et une protection en plastique.
Toutefois, la qualité de signal apportée par la fibre optique en fait le support de transmission le plus rapide jusqu'à
présent, rendant nécessaire son usage dans les années à venir afin de fournir une connexion Internet rapide à des
habitants de plus en plus nombreux.
Exemple n°4 de synthèse :
La transmission de l’information peut se faire de trois façons différentes :


de façon hertzienne : le support est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide ou dans l’air ;
de façon filaire : dans ce cas, il faut envisager deux types de support : le signal peut être transmis par un
signal électrique dans un fil de cuivre ou par un signal lumineux dans une fibre optique.
À l’intérieur d’une fibre optique, la lumière se propage sur le principe de la réflexion totale : lors du passage d’un
milieu 1 vers un milieu 2 moins réfringent (où la vitesse de la lumière est plus rapide), le signal réfracté n’existe pas
toujours ; il peut aussi être totalement réfléchi si l’angle d’incidence est suffisamment grand.
La fibre optique est constituée d’un cœur (où la lumière se propage lentement) et d’une gaine (où la lumière peut se
propager plus vite). Le signal lumineux entre dans la fibre avec un angle d’incidence suffisamment grand pour que,
lorsqu’il arrive à l’interface entre le cœur et la gaine de la fibre, il n’y ait aucun rayon réfracté mais que l’intégralité
du rayon lumineux soit réfléchi et « rebondisse » ainsi le long de la fibre.
Dans un monde où la quantité d’informations échangées est de plus en plus importante et doit se faire le plus
rapidement possible, la fibre optique présente de nombreux avantages. En effet, celle-ci permet de transmettre
simultanément une grande quantité d’informations avec une très faible atténuation du signal ; elle est également
très peu sensible aux ondes électromagnétiques. Ces propriétés la rendent nettement plus performante que le fil de
cuivre du téléphone. Son inconvénient majeur réside dans le fait qu’il faut implanter un réseau de fibre optique alors
que le réseau de téléphone existe déjà sur le territoire. Cette opération représente un coût important.
La fibre optique est donc une solution d’avenir possible pour la transmission d’informations mais devant son coût
d’installation important, d’autres solutions moins onéreuses, mais moins efficaces, sont également envisageables.
Sources de l’activité
Activité n°2 p542 (HACHETTE TS – Enseignement spécifique – Collection Dulaurans – Durupthy)
Activité n°3 p544 (HACHETTE TS – Enseignement spécifique – Collection Dulaurans – Durupthy)
[Problème scientifique] Sujet de Bac Liban 2013 – Exercice n°3