TP13

Transmissions libre et guide

Objectifsde la sance :

Identifier les lments dune chane dinformation;

Exploiter des informations pour comparer les diffrents types de transmission;

Comment les nombreuses informations que nous changeons quotidiennement sont-elles transmises?

DOCUMENTS MIS A DISPOSITION:

DOC. 1: Les pertes dans un cble coaxial

La rsistance d'un conducteur augmente comme la racine carre de la frquence; 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 rayonne dans le cas d'un metteur.

Voici quelques rgles concernant les pertes dans un cble coaxial:

Plus le diamtre du conducteur est petit, plus grand sera sa rsistance, et donc plus il y aura de pertes;

Plus la frquence augmente, plus il y aura de pertes;

Plus on augmente la longueur du cble, plus il y aura de pertes;

Les cbles coaxiaux son rfrencs par un codeindiquant la perte par unit de longueur :

Les pertes dans un cble de rfrence 19 VATC sont de 19 dB/100 mtres une frquence de rfrence de 790 MHz;

Les pertes dans un cble de rfrence 11 VREC sont de 11 dB/100 mtres une frquence de rfrence de 790 MHz.

La lettre V commune ces deux codes dsigne la composition de la gaine: ici en PVC.

Les lettre suivantes dsignent la nature du ruban et la composition de la tresse(A = aluminium, R = cuivre).

DOC. 2: Le cble coaxial

Le cble coaxial ou ligne coaxiale est une ligne de transmission ou liaison asymtrique, utilise en hautes frquences, compose d'un cble deux conducteurs. L'me centrale, qui peut tre mono-brin ou multi-brins (en cuivre ou en cuivre argent, voire en acier cuivr), est entoure d'un matriau dilectrique (isolant). Le dilectrique est entour d'une tresse conductrice (ou feuille d'aluminium enroule), puis d'une gaine isolante et protectrice. Sa forme particulire permet de ne produire (et de ne capter) aucun flux net extrieur.

Source: Wikipedia.org

Grandeurs caractristiques dun cble coaxial:

Lattnuation dun signal lectrique est affaiblissement de lamplitude du signal au cours de la transmission. Elle se note A et sexprime en dcibel (symbole: dB):

Le coefficient dattnuation linique dun cble coaxial reprsente lattnuation par unit de longueur que subit un signal lectrique dans ce cble. Il se note et sexprime en dcibel par mtre (symbole: dB.m1):

DOC. 3: Attnuation linique dun signal

L'attnuation linique , correspondant la diminution de la puissance du signal par kilomtre et exprime en dB/km, est dfinie par :

DOC. 4: Attnuation spectrale dune fibre optique en silice

DOC. 5: Rfraction de la lumire

Loi de Snell-Descartespour la rfraction :

n1 sin i1 = n2 sin i2

(NormaledioptreI)

(NormaledioptreIMilieu(indice n2)Milieu(indice n1)i2 = 90i1)

(NormaledioptreIMilieu(indice n2)Milieu(indice n1)ri1)

<

Rfraction (+ faible rflexion)

;

Rfraction limite

>

Rflexion totale

DOC. 6: Comparaison entre une fibre optique et un fil de cuivre

Fibre optique

Fil de cuivre

Sensibilit nulle aux ondes lectromagntiques

Grande sensibilit aux ondes lectromagntiques

Faible attnuation du signal : 0,2 dB/km

Forte attnuation du signal : 10 dB/km

Rseau faiblement implant gographiquement

Rseau fortement implant gographiquement

Grande largeur de bande : grande quantit

d'informations transportes simultanment

Largeur de bande limite : la quantit d'informations transmises est trs limite

DOC. 7: Les liaisons hertziennes

Le support de transmission est une onde lectromagntique de longueur donde comprise entre 10 -3 m et 10 4 m :

Lattnuation dpend du milieu travers :

Matriau

bton

mtal

pltre

bois

verre

brique

Attnuation

forte

forte

moyenne

faible

faible

faible

Le dbit dpend de la technologie utilise pour mettre londe lectromagntique (Wifi : 11 Mbits/s sur 100 m ; Bluetooth : 1 Mbits/s sur 10 m avec une faible consommation dnergie. Pour la tlphonie mobile : GSM : 9,6 kbits/s sans trop dattnuation grce des relais ; 100 kbits/s pour la 3G, 100 Mbits/s pour la 4G).

1. Transmission par fibre optique (tude qualitative)

1.1. Transmission libre et guide

La fibre optique transporte linformation grce la lumire issue dune diode infrarouge, dune DEL ou laser dans le cas de la fibre monomode. Elle est amene tre utilise comme outil principal daccs internet.

Montage exprimental:

(Microphone)

Le module metteur ( gauche) contient un module microphone, un module pramplificateur et un module metteur (diode laser) avec connecteur pour fibre optique;

Le module rcepteur ( droite) contient un connecteur pour fibre optique (photodiode), un module amplificateur, un haut-parleur.

Protocole exprimental:

Alimenter le bloc metteur laide dun gnrateur 12V, et le bloc rcepteur laide dun autre gnrateur 12V ;

Connecter la fibre optique entre les deux blocs et les loigner le plus possible lun de lautre;

Le bloc metteur contient un microphone (petit cylindre gris).

laide dun lecteur MP3 ou de votre voix, envoyer un signal musical travers le montage et sassurer de sa rception dans le haut-parleur du bloc rcepteur;

Dconnecter la fibre optique et placer la diode laser en face de la photodiode rceptrice. Essayer nouveau denvoyer le signal sonore.

Reproduire la mme exprience mais en intercallant un cran entre la diode laser et la photdiode. Fates plusieurs essais.

(Questions)

(Q1. Le signal sonore traverse-t-il les crans.Q2. Conclure sur les avantages de la transmission par fibre par rapport la propagation libre.)

1.2. Qualit de transmission dune fibre

Avec le dveloppement des tlcommunications, la transmission libre atteint ses limites: en effet, les bandes de frquences alloues aux diverses utilisations ne sont pas infinies. On remplace progressivement la transmission libre par de la transmission guide par des fibres optiques.

On se propose de transmettre un signal sonore laide dun dispositif (ci-dessous) appel fibroptonic comprenant un encodeur, une fibre optique et un dcodeur.

Montage exprimental:

Protocole exprimental:

Diriger une extrmit de la fibre optique vers une source lumineuse tout en observant lautre extrmit.

Relier lencodeur la fibre optique et observer lautre extrmit.

Connecter le dcodeur la fibre optique.

mettre un son face au microphone sur lencodeur puis couter en sortie du haut-parleur du dcodeur.

Si lcoute est satisfaisante, brancher un systme dacquisition (console + LatisPro) la sortie du dcodeur et refaire lexprience avec une priode dchantillonnage Te de 100 s et une dure totale de 50 ms par exemple.

En utilisant les fonctionnalits du logiciel LatisPro, comparer la qualit du signal envoy lentre celle du signal reu aprs transmission par la fibre optique.

(Questions)

(Q3. Quobserve-t-on lextrmit de la fibre lorsquelle est dirige vers une source lumineuse? Lorsquelle est relie lencodeur?Q4. Justifier la rponse la question prcdente laide de lextrait de notice technique ci-dessus.Q5. On considre que les ondes lectromagntiques se propagent dans la fibre optique par le phnomne de rflexion totale. Rappeler la loi de Snell-Descartes relative ce phnomne, puis proposer un mode de propagation des ondes lectromagntiques dans la fibre optique (recopier le schma et complter le trajet des ondes sur le schma ci-dessous).)

Trajet des ondes dans une fibre optique:

2. Transmission par cble coaxial (propagation guide)

Une ligne coaxiale est un ensemble de deux conducteurs spars par un matriau isolant entre lesquels peuvent circuler des ondes lectromagntiques. Il est constitu dune me en cuivre, et dune tresse mtallique, spares par un isolant. La tresse joue le rle de cage de Faraday et attnue la rception de signaux lectromagntiques parasites.

Ces cbles sont utiliss pour le transport de signaux TV (f = 2,4 GHz) ou TNT (5 MHz < f < 800 MHz), c'est--dire des signaux de haute frquence.

Les cbles sont des lignes guides entre un metteur et un rcepteur. des frquences leves, les signaux lectriques crs se comportent comme des ondes.

Dispositif exprimental:

Ltude dun cble peut tre ralise laide du montage ci-dessous: le GBF est lmetteur, le cble est le canal et le rcepteur contient un instrument de mesure (un oscilloscope numrique).

Protocole exprimental:

Raliser le montage exprimental ci-dessus en utilisant la cble de rfrence 11VREC de 80 m;

laide du GBF, envoyer un signal lectrique dans le cble coaxial (voir schma ci-dessus) de longueur 80 m (gros rouleau) ;

Caractristique du signal lectrique:

Type de signal: sinusodal.

Frquence: 2,2 MHz (valeur maximale du GBF).

Tension: 5 V (valeur maximale du GBF rgle avec le bouton Level ).

Visualiser, laide de loscilloscope numrique, les tensions dentre et de sortie du cble coaxial.

Recommencer les tapes , & en utilisant le cble de rfrence 19VAtc de 17 m (petit rouleau).

Pour chaque cble tudi, calculer son coefficient dattnuation aprs avoir mesur les tensions maximales de sortie US max et dentre UE max pour la frquence de 2,2 MHz.

3. Transmission par voie hertzienne (propagation libre)

Schma de lexprience ralise en 1885 par Heinrich HERTZ.

Les ondes hertziennes sont des ondes lectromagntiques; elles permettent la transmission rapide de linformation, par le biais dantennes qui mettent et reoivent ces ondes se propageant dans toutes les directions.

On se propose de montrer linfluence de la frquence des ondes hertziennes sur leur propagation.

Le dispositif exprimental comprend:

Un dispositif dmission dondes lectromagntiques constitu dune antenne relie la sortie dun GBF;

Un premier oscilloscope permet dobserver le signal gnr.

Un dispositif de rception constitu dune antenne de rception reli un deuxime oscilloscope.

Protocole exprimental:

Rgler le GBF initialement sur une tension sinusodale de frquence 1 kHz, avec une amplitude la plus grande possible ;

Placer les deux antennes quelques centimtres lune de lautre et rgler les oscilloscopes de faon visualiser les signaux.

(Questions)

(Q6. Faire un schma simple du montage.Q7. Quelle est lamplitude du signal mis ? du signal reu ?Q8. Quelle est la frquence du signal reu ? Comparer avec celle du signal mis.Raliser une exprience montrant linfluence de la frquence du signal mis sur les caractristiques du signal reu.Q9. Noter vos observations sur chaque situation exprimentale puis rdiger une synthse sur les proprits de la propagation des ondes hertziennes.Q10. Pourquoi utilise-t-on des ondes de hautes frquences pour la transmission dinformations ?)

4. Rsolution de problme scientifique

Le trs haut dbit pour tous les Bretons d'ici 2030

La Bretagne prend de l'avance sur le trs haut dbit. Elle est, avec la rgion Auvergne, la seule avoir anticip le maillage en fibre optique de l'intgralit de son territoire. D'ici 2030, tous les foyers bretons auront accs cette technologie qui augmente considrablement le dbit des connexions Internet. De 1 20 mgabits par seconde, il passera 100 mgabits par seconde, et dans toute la rgion !

Au cur de cette petite rvolution : l'installation de la fibre optique. Tlvision haute dfinition, tlphone, Internet, photographies et vidos transiteront dsormais grce cette fibre optique trs rapide... Un oprateur priv installera la fibre optique dans les principales agglomrations bretonnes, couvrant 40% des foyers en 2020... Cot global pour les institutions : 1,8 milliard d'euros.

D'aprs Bretagne ensemble, Juin 2012.

En vous appuyant sur les divers documents mis votre disposition, de vos connaissances personnelles et de ce que vous avez appris au cours de cette activit, rdigez une rponse argumente la question suivante :

La fibre optique est-elle synonyme davenir incontournable pour la transmission dinformations?

Pour construire et dvelopper votre argumentation,

vous commencerez par dcrire le principe d'une chaine de transmission;

vous comparerez les diffrents types de transmission (par cble, par fibre et par onde hertzienne) en prsentant les points faibles et les points forts de chaque mode;

vous expliquerez le principe de fonctionnement d'une fibre optique, dterminerez quel est le domaine du spectre lectromagntique utiliser pour obtenir une transmission d'attnuation minimale avec une fibre optique en silice;

vous prciserez ensuite les enjeux pour le dploiement de nouveaux rseaux de transmission d'informations par fibre optique;

enfin, vous rpondrez la question pose en dbut dactivit.

La qualit de la rdaction, la structuration de largumentation, la rigueur des calculs ventuels, ainsi que toute initiative prise pour mener bien la rsolution du problme seront valorises.

CORRECTION

1. Transmission par fibre optique (tude qualitative)

1.1. Transmission libre et guide

Q1. Le signal sonore ne traverse pas lcran puisquil est converti en signal lumineux qui est arrt par lcran.

1.2. Qualit de transmission dune fibre

Q3. On observe un point lumineux lextrmit de la fibre lorsquelle est relie la source lumineuse et pas de lumire lorsquelle est relie lmetteur.

Q2. Avantages de la transmission par fibre optique:

Q4. La longueur donde de la radiation mise par lmetteur est au-del de 800 nm ; elle se situe au-del du rayonnement visible, dans les infrarouges.

Q5. Le rayon incident et le rayon rflchi appartiennent au plan dincidence. Les directions des rayons sont telles que ir = i1:

2. Transmission par cble coaxial

Le signal rflchi possde une amplitude plus petite que celle du signal mis cause du phnomne daffaiblissement du signal au cours de sa transmission. On observe galement que la forme des impulsions est modifie (phnomne de dispersion).

Calcul du coefficient dattnuation:

Le calcul dpend des valeurs releves lors de la sance

Remarque : cette valeur est loigne de celle habituellement indique par les fabricants de cbles coaxiaux car celle-ci est donne pour des signaux de frquences de lordre de 800 MHz (attnuation de 11 ou 19 dB pour 100 m, soit un coefficient dattnuation de 0,11 ou 0,19 dB.m1).

3. Transmission par voie hertzienne

Q6. Schma du montage:

Q7. Quelle est lamplitude du signal mis ? du signal reu ?

Q8. Quelle est la frquence du signal reu ? Comparer avec celle du signal mis.

Q9. Raliser un tableau pour montrer que lamplitude du signal reu dpend de la frquence du signal mis.

Pour une amplitude constante du signal mis, lamplitude du signal reu augmente lorsque la frquence du signal mis augmente.

Les ondes lectromagntiques de hautes frquences sont mieux transmises par voie hertzienne que les ondes lectromagntiques de basses frquences.

Q10. Daprs ce qui prcde, lamplitude du signal reu est dautant plus grande que la frquence du signal mis est leve. Pour limiter lattnuation, il est donc prfrable dmettre avec de hautes frquences.

4. Rsolution de problme scientifique

Il ny a pas de correction type

Exemple n1 de synthse :

La transmission de linformation peut se faire par voie arienne, par cble lectrique (fil de cuivre) et par fibre optique (doc.5).

Dans une fibre optique, la lumire se propage grce une succession de rflexions totales entre le cur et la gaine. Pour cela, lindice de rfraction n1 du cur de la fibre doit tre suprieur lindice n2 de la gaine et langle dincidence de la lumire doit tre suprieur langle dincidence limite lim tel que (doc.6 & 7).

La transmission dinformations par fibre optique prsente de nombreux avantages par rapport la transmission par cble lectrique: insensibilit du signal transmis aux perturbations extrieures, faible attnuation du signal et grande largeur de bande permettant un grand dbit dinformations (doc 5). En revanche, contrairement au rseau lectrique, la pose dun rseau de fibres optiques gnre des cots dinstallation importants et son implantation ne couvre pas aujourdhui tout le territoire national (doc. 1 & 5).

Ainsi, malgr ses nombreux avantages, la fibre optique ne constitue pas lunique solution davenir pour la transmission des informations.

Exemple n2 de synthse:

Nous pouvons citer trois types de support de transmission de linformation: le fil de cuivre (cble coaxial), la fibre optique et les transmissions hertziennes.

Pour guider la lumire, la fibre optique comprend un cur, o lnergie lumineuse est confine, et une gaine, dote dun indice de rfraction plus faible. Lors du passage dun milieu donn dindice n1 dans un milieu moins rfringent dindice n2, le rayon rfract nexiste pas toujours. Il existe un angle limite lim au-del duquel le rayon de lumire ne change pas de milieu. Ce rayon est alors compltement rflchi: cest le phnomne de rflexion totale (document 5).

Les avantages de la transmission de donnes par fibre optique sont nombreux. Les fibres optiques ne sont pas sensibles aux interfrences extrieures (document 6). La perte de signal sur une grande distance est bien plus faible par rapport une transmission lectrique dans un conducteur mtallique. Les fibres ne schauffent pas et permettent de transporter simultanment une grande quantit dinformations (documents 1, 2 & 6). La pose de fibre optique gnre des cots importants cause des travaux denfouissement. Contrairement au rseau en cuivre, la fibre optique ne dessert pas toutes les localits en France do les efforts financiers consquents que vont devoir raliser les rgions (cot global pour les institutions en Bretagne: 1,8 milliards deuros).

En conclusion: il ny a pas de solution unique, il ny a pas de solution prennepour la transmission dinformations.

Exemple n3 de synthse:

Divers supports de transmission sont utiliss actuellement : le cble lectrique, l'air, mais aussi la fibre optique.

Les cbles et les fibres optiques utilisent tous les deux la propagation guide, mais les signaux n'ont pas la mme nature. Alors que dans les cas des cbles, les signaux sont transmis sous forme de signaux lectriques, ce sont des radiations -visibles ou invisibles- qui transmettent l'information dans la fibre optique. Une autre diffrence est le coefficient d'attnuation linique, caractrisant l'attnuation du signal entre l'entre et la sortie du support utilis (cble lectrique ou fibre optique). Alors qu'un cble lectrique a une attnuation leve, empchant ainsi la bonne transmission des informations sur de longues distances, la faible attnuation de la fibre optique en fait le support privilgi dans le cadre de communications sur de trs longues distances.

Cependant, une telle diffrence entre les deux technologies implique un cot diffrent. On note aussi une fragilit de la fibre optique, le plus souvent constitue de verre et protge par une gaine et une protection en plastique.

Toutefois, la qualit de signal apporte par la fibre optique en fait le support de transmission le plus rapide jusqu' prsent, rendant ncessaire son usage dans les annes venir afin de fournir une connexion Internet rapide des habitants de plus en plus nombreux.

Exemple n4 de synthse:

La transmission de linformation peut se faire de trois faons diffrentes:

de faon hertzienne: le support est une onde lectromagntique qui se propage dans le vide ou dans lair;

de faon filaire: dans ce cas, il faut envisager deux types de support: le signal peut tre transmis par un signal lectrique dans un fil de cuivre ou par un signal lumineux dans une fibre optique.

lintrieur dune fibre optique, la lumire se propage sur le principe de la rflexion totale: lors du passage dun milieu1 vers un milieu2 moins rfringent (o la vitesse de la lumire est plus rapide), le signal rfract nexiste pas toujours; il peut aussi tre totalement rflchi si langle dincidence est suffisamment grand.

La fibre optique est constitue dun cur (o la lumire se propage lentement) et dune gaine (o la lumire peut se propager plus vite). Le signal lumineux entre dans la fibre avec un angle dincidence suffisamment grand pour que, lorsquil arrive linterface entre le cur et la gaine de la fibre, il ny ait aucun rayon rfract mais que lintgralit du rayon lumineux soit rflchi et rebondisse ainsi le long de la fibre.

Dans un monde o la quantit dinformations changes est de plus en plus importante et doit se faire le plus rapidement possible, la fibre optique prsente de nombreux avantages. En effet, celle-ci permet de transmettre simultanment une grande quantit dinformations avec une trs faible attnuation du signal; elle est galement trs peu sensible aux ondes lectromagntiques. Ces proprits la rendent nettement plus performante que le fil de cuivre du tlphone. Son inconvnient majeur rside dans le fait quil faut implanter un rseau de fibre optique alors que le rseau de tlphone existe dj sur le territoire. Cette opration reprsente un cot important.

La fibre optique est donc une solution davenir possible pour la transmission dinformations mais devant son cot dinstallation important, dautres solutions moins onreuses, mais moins efficaces, sont galement envisageables.

Sources de lactivit

Activit n2 p542 (HACHETTE TS Enseignement spcifique Collection Dulaurans Durupthy)

Activit n3 p544 (HACHETTE TS Enseignement spcifique Collection Dulaurans Durupthy)

[Problme scientifique] Sujet de Bac Liban 2013 Exercice n3

E

S

E

S

1

Uamplitude du signal en entre (en V)

Uamplitude du signal en sortie (en V)

U

A1

20log

longueur du cble (en m)

U

coefficient d'attnuation (en dB.m)

a

a

-

=

=

==

=

=

l

ll

a=

=

=

=

e

s

Pe puissance du signal l'entre du dis

positif de transmission

Ps puissance du signal sa sortie

L distance parcourue par le signal (en k

P

10

log

m)

LP

i

1

lim

i

1

lim

ii

=

11

lim

2

1

sini

n

n

=

1

q=

2

lim

1

n

sin()

n

E

E

S

S

Uamplitude de la tension du signal lect

rique en entre du cble (en V)

U

A20log

Uamplitude de la tension du signal lect

rique en sortie du cble (en V)

U

=

=

=