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III. Communications informatiques: 1. Les supports de transmission


1.1. Le cuivre : câbles coaxiaux ou à paires torsadées

Le câble coaxial est un câble permettant entre autres le transport de données. Il est composé, au moins, de 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). L’isolant est entouré d'une tresse conductrice (ou feuille d'aluminium enroulée), puis d'une gaine isolante et protectrice.



Une paire torsadée est formée de deux fils conducteurs enroulés en hélice l’un autour de l’autre. Un câble peut contenir plusieurs paires torsadées.
Pour limiter les interférences, les paires torsadées sont souvent blindées. Comme le blindage est fait de métal, celui-ci constitue également un référentiel de masse. Le blindage peut être appliqué individuellement aux paires, ou à l’ensemble formé par celles-ci.

Tableau récapitulatif avec les dénominations officielles (norme ISO/IEC 11801) :

Dénomination

courante

Désignation

Dénomination

officielle

Blindage de

l'ensemble du câble

Blindage des paires

individuelles

UTP

Unshielded twisted pair : Paire torsadée non blindée

U/UTP

aucun

aucun

STP

Shielded twisted pair: Paire torsadée blindée

U/FTP

aucun

feuillard

FTP

Foiled twisted pair : Paire torsadée écrantée

F/UTP

feuillard

aucun

FFTP

Foiled foiled twisted pair: Paire torsadée doublement écrantée

F/FTP

feuillard

feuillard

SFTP

Shielded foiled twisted pair: Paire torsadée écrantée et blindée :

SF/UTP

feuillard, tresse

aucun

SSTP

Shielded shielded twisted pair: Paire torsadée doublement blindée

S/FTP

Tresse

feuillard

Légende :    
Exemple d’un câble FTP :
  • TP = twisted pair ou paire torsadée
  • U = unshielded ou non blindé
  • F = foil shielding ou blindage par feuillard
  • S = braided shielding ou blindage par tresse



Les câble sont aussi caractérisées par leur catégorie :

Catégorie

Classe

Impédance

Fréquence max.

Application

3

C

100-120 Ω

16 MHz

Token Ring 4 Mbit/s, 10 Base T, Fast Ethernet, 100 VG Any, LAN 100 Base T4

4

D

100 Ω

20 MHz

Token Ring 16 Mbit/s

5

D

100 Ω

100 MHz

Câble UTP et FTP, 100 Base Tx, ATM 155 Mbit/s, 1000 Base T (Cat 5E)

6

E

100 Ω

250 MHz

Câble FTP et SFTP, 1000 Base Tx

6a

E

100 Ω

500 MHz

Câble FTP et SFTP, 1000 Base Tx, 10 G Base T

7

F

100 Ω

600 MHz

Câble SFTP




Divers organismes de normalisation contribuent à la définition des propriétés physiques, électriques et mécaniques des supports disponibles pour différentes communications de données. Ces spécifications garantissent que les câbles et connecteurs fonctionnent comme prévu avec différentes mises en œuvre.

Par exemple, des normes pour les supports en cuivre sont définies pour :

  • Le type de câblage en cuivre utilisé
  • La bande passante de la communication
  • Le type de connecteurs utilisés
  • Le brochage et les codes couleur des connexions avec le support
  • La distance maximale du support



Un exemple de connecteur utilisé pour les liaisons Ethernet : RJ45

RJ45 est le nom usuel du connecteur 8P8C (8 positions et 8 contacts électriques) utilisé couramment pour les connexions Ethernet, et plus rarement pour les réseaux téléphoniques. La référence « RJ » vient de l'anglais Registered Jack (prise jack enregistrée).

Câblage :
Lors d'un câblage informatique en 10/100 Mbit/s, seules les quatre broches 1-2 et 3-6 sont utilisées pour transmettre les informations. Lors d'un câblage informatique en 1 000 Mbit/s (1 Gbit/s), les 8 broches sont utilisées.

  • Lorsqu'on branche un poste de travail dans un concentrateur (hub) ou un commutateur (switch), un câble droit doit être utilisé.
  • Lorsqu'on doit brancher deux postes de travail ensemble, un câble croisé doit être utilisé. Dans le câble croisé, les paires utiles sont inversées, c'est-à-dire que la paire de transmission d'un côté est connectée aux broches de réception de l'autre côté.


La règle générale est la suivante : pour deux périphériques travaillant au niveau de la couche 2 (MAC) du modèle OSI comme un Hub Ethernet ou un switch sans fonction de routage, ou deux périphériques de la couche 3 (IP) comme un PC ou un routeur, on utilise un câble croisé. Dès que l'on change de couche entre deux équipements, on peut alors utiliser un câble droit (PC à Switch, Routeur à Switch, Hub à PC, etc.).

Il existe plusieurs normes (T568A et T568B) : même si ces deux normes sont déployées, la norme T568A est principalement utilisée dans le domaine du résidentiel (souvent avec du câblage simple non blindé de type UTP) alors que la norme T568B est plutôt employée dans le domaine professionnel.











1.2. Le verre : fibre optique

Le câblage en fibre optique utilise des fibres de verre ou de plastique pour guider des impulsions lumineuses de la source à la destination. Au final la fibre optique est un guide d'onde qui exploite les propriétés réfractrices de la lumière. Elle est habituellement constituée d'un cœur entouré d'une gaine.

Comme l’électronique est essentiellement basée sur l’électricité il faudra convertir les bits électriques (tension) en lumière pour la transmission et inversement pour la réception.

Les bits sont codés sur la fibre sous forme d’impulsions lumineuses. Les émetteurs utilisés sont de trois types :

  • les diodes électroluminescentes (LED) qui fonctionnent dans le proche infrarouge (850 nm),
  • les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d’onde est 1 310 ou 1 550 nm,
  • les diodes à infrarouge qui émettent dans l’infrarouge à 1 300 nm.



Le câblage en fibre optique prend en charge des débits de bande passante de données brutes très élevés. Des dispositifs à semi-conducteur électronique appelés photodiodes détectent les impulsions lumineuses et les convertissent en tensions qui peuvent ensuite être reconstituées en trames de données.
Au cours de son parcours, le signal est atténué et déformé : des répéteurs et des amplificateurs placés à intervalles réguliers permettent de conserver l’authenticité du message.


Fibres multimodes
Les fibres multimodes (dites MMF, pour Multi Mode Fiber), ont été les premières sur le marché. Ce sont les plus courantes. Elles ont pour caractéristique de transporter plusieurs modes (trajets lumineux). Du fait de la dispersion modale, on constate un étalement temporel du signal proportionnel à la longueur de la fibre. En conséquence, elles sont utilisées uniquement pour des bas débits ou de courtes distances. Elles sont caractérisées par un diamètre de cœur de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres (les cœurs en multimodes sont de 50 ou 62,5 µm pour le bas débit). Cependant les fibres les plus récentes, de type OM3, permettent d'atteindre le Gbit/s sur des distances de l'ordre du km.

Il existe plusieurs modes de propagation de la lumière au sein de son cœur de silice (verre).

Multimode à saut d'indice :


L'atténuation sur ce type de fibre est très importante comme on peut le voir sur la différence des impulsions d'entrée et de sortie.

  • Débit: environ 100 Mbit/s
  • Portée maximale: environ 2 Km



Multimode à gradient d'indice :

La fibre multimode à gradient d'indice est elle aussi utilisée dans les réseaux locaux. C'est une fibre multimode, donc plusieurs modes de propagation coexistent. A la différence de la fibre à saut d'indice, il n'y a pas de grande différence d'indice de réfraction entre cœur et gaine.
Cependant, le cœur des fibres à gradient d'indice est constitué de plusieurs couches de matière ayant un indice de réfraction de plus en plus élevé. Ces différentes couches de silice de densités multiples influent sur la direction des rayons lumineux, qui ont une forme elliptique.

La fibre à gradient d'indice possède un cœur de taille intermédiaire. L'atténuation sur ce type de fibre est moins importante que sur les fibres à saut d'indice.

  • Débit: environ 1 Gbit/s
  • Portée maximale: environ 2 Km





Fibres monomodes

Pour de plus longues distances et/ou de plus grands débits, on préfère utiliser des fibres monomodes (dites SMF, pour Single Mode Fiber), qui sont technologiquement plus avancées car plus fines (voire très fines). Ce sont les meilleures fibres optiques actuellement disponibles. Leur cœur très fin n'admet ainsi qu'un mode de propagation, le plus direct possible c'est-à-dire dans l'axe de la fibre. Les pertes sont donc minimes (moins de réflexion sur l'interface cœur/gaine) que cela soit pour de très haut débits ou de très longues distances. Les fibres monomodes sont de ce fait adaptées pour les lignes intercontinentales (câbles sous-marin).


  • Débit: environ 100 Gbit/s
  • Portée maximale: environ 100 Km






1.3. Ondes électromagnétiques : sans fil

Les supports sans fil transportent des signaux (sons, données, …) à l’aide d’ondes électromagnétiques.

Les technologies de communication de données sans fil fonctionnent bien dans les environnements ouverts. Cependant, certains matériaux de construction utilisés dans les bâtiments, ainsi que le terrain local (montagnes, collines, ...), limitent la couverture effective. De plus, la transmission sans fil est sensible aux interférences et peut être perturbée par des appareils aussi courants que les téléphones fixes sans fil, certains types d'éclairages fluorescents, les fours à micro-ondes et d'autres communications sans fil.

En outre, la couverture de communication sans fil n'exigeant aucun accès à un fil physique de support, des périphériques et utilisateurs non autorisés à accéder au réseau peuvent accéder à la transmission. La sécurité du réseau constitue par conséquent un composant essentiel de l'administration de réseau sans fil.



Domaines du spectre électromagnétique :


Nom

Longueur d'onde (m)

Fréquence (Hz)

Énergie du photon (eV)

Rayon gamma

< 10 pm

> 30 EHz

> 124 keV

Rayon X

10 pm – 10 nm

30 EHz – 30 PHz

124 keV – 124 eV

Ultraviolet

10 nm – 390 nm

30 PHz – 750 THz

124 eV – 3,2 eV

Visible

390 nm – 750 nm

770 THz – 400 THz

3,2 eV – 1,7 eV

Infrarouge

750 nm – 0,1 mm

400 THz – 3 THz

1,7 eV – 12,4 meV

Térahertz / submillimétrique

0,1 mm - 1 mm

3 THz - 300 GHz

12,4 meV - 1,24 meV

Micro-ondes

1 mm - 1 m

300 GHz - 300 MHz

1,24 meV - 1,24 μeV

Ondes radio

1 m – 100 000 km

300 MHz – 3 Hz

1,24 μeV – 12,4 feV




Les normes et technologies les plus courantes sont le GSM, le Wifi, le Bluetooth. Il en existe beaucoup d’autres.

Bande de fréquence

Service/Application

9 kHz-30 MHz

Radio grandes ondes, ondes moyennes et ondes courtes, détecteurs de victimes d'avalanches, systèmes RFID, applications médicales, plaques de cuisson à induction, CPL...

30 MHz-87,5 MHz

Télédiffusion (bande I), réseaux taxis, pompiers... radioamateurs, microphones sans fil, radars...

87,5 MHz - 108 MHz

Bande FM (modulation de fréquence)

108 MHz - 136 MHz

Trafic aéronautique

136 MHz - 400 MHz

Télédiffusion (bande II et III), réseaux professionnels (police, pompiers, SAMU...), vol libre (talkie-walkie), trafic amateur, trafic maritime, radiomessagerie...

400 MHz - 470 MHz

Balises ARGOS, réseaux professionnels (SNCF, EDF...), télécommandes, télémesure médicale, réseaux cellulaires

470 MHz - 860 MHz

Télédiffusion bande IV et V

704 MHz - 960 MHz

Téléphonie mobile bandes des 700, 800 et 900 MHz

960 MHz - 1 710 MHz

Radiodiffusion numérique, faisceaux hertziens

1 710 MHz - 1 880 MHz

Téléphonie mobile, bande 1 800 MHz

1 880 MHz - 1 900 MHz

Téléphonie DECT

1 900 MHz - 2 170 MHz

Téléphonie mobile UMTS

2 400 MHz - 2 500 MHz

Réseaux Wi-Fi, Bluetooth, four à micro-ondes

2 500 MHz - 2 690 MHz

Téléphonie mobile (LTE), bande des 2 600 MHz

3 400 MHz - 3 600 MHz

Boucle locale radio de type WiMAX





Exemple d’utilisation des ondes électromagnétiques pour transporter des informations


Au temps de l’analogique :

Ci-contre les 2 principales méthodes pour transmettre une information analogique (ici du son) à l’aide d’ondes électromagnétiques.
AM : modulation d’amplitude (l’amplitude du signal varie en fonction du signal à transporter)
FM : modulation de fréquence (la fréquence du signal varie en fonction du signal à transporter)




Maintenant en numérique.
On utilise aussi les 2 principes utilisés du temps de l’analogique (modulation d’amplitude et modulation de fréquence) parfois en les combinant.

Exemple :

La modulation par déplacement de fréquence (MDF), plus connue sous sa dénomination anglophone de frequency-shift keying (FSK) est un mode de modulation de fréquence numérique dans lequel le signal modulé varie entre des fréquences prédéterminées.

Il y a bien sûr de nombreuses autres manières de transporter des données numériques mais elles n’entrent pas dans le cadre de ce cours.










Risques sanitaires des télécommunications

Les champs électromagnétiques créées par les télécommunications hertziennes (téléphone mobile, le téléphone domestique sans fil, le Wi-Fi, ou encore les antenne-relais de téléphonie mobile) sont perçus par certains comme une « pollution électromagnétique » dangereuse pour la santé, alors que les études scientifiques de ces dernières années ont donné des résultats contradictoires. Il semble quand même y avoir un risque que les études scientifiques n’ont pas encore permis de confirmer totalement ni d’évaluer (il faut dire que les études sont assez rares et celles qui existent sont souvent financées par les sociétés qui émettent ces ondes électromagnétiques donc leurs résultats ne sont pas toujours fiables).

Bref il s’agit d’un sujet à controverse et les impacts sur le très long terme de l'exposition au rayonnement électromagnétique issus des appareils modernes sont encore relativement méconnus.