Les supports physiques

1. Les supports physiques • La paire de fils torsadés • 1 ou plusieurs paires de fils électriques agencés en spirale • Câble téléphonique constitué à l'origine de 2 fils de cuivre isolés et enroulés l'un sur l'autre (torsadés environ 35 fois / m) • Jusqu'à 3000 paires par câble … (uniquement applications téléphoniques !) • Connexion facile, Coût faible … • Faible immunité aux bruits … • Qualité = f(matériaux, détails fabricat., …)

2. La paire de fils torsadés. • Amélioration par "blindage" (STP Shielded Twisted Pairs). Attention à la qualité du blindage ! • Recommandation actuelle : UTP Catégorie 5 = câble à 4 paires torsadées, non blindé (Unshielded Twisted Pairs), impédance de 100 ohm. Toutes applications : téléphonie (RTC jusqu'à 56 Kbps max. ou RNIS), réseau 10 Mbps (10BaseT) ou 100 Mbps (100BaseT), video, …

3. La paire de fils torsadés. • Les classes d ’application : • classe A : applications basses fréquences (voix) jusqu’à 100 kHz • classe B : applications moyen débit jusqu’à 1 MHz • classe C : haut débit (Ethernet, Token Ring) jusqu’à 16 MHz • classe D : très haut débit (FastEthernet, ATM, ...) jusqu’à 100 MHz • Catégorie de câblage : • catégorie 3 : 2 km (A), 500 m (B), 100 m (C), impossible en classe D • catégorie 4 : 3 km (A), 600 m (B), 150 m (C), déconseillé (D) • catégorie 5 : 3 km (A), 700 m (B), 160 m (C), 100 m (D)

4. La paire de fils torsadés. • 10 base T (10 Mbps), 100 base T (100 Mbps),… • 100 m maximum et 2,5 m minimum entre le nœud central et l’ordinateur. (Topologie en étoile).

5. La paire de fils torsadés • Connecteur RJ-45: norme de cablâge pour Ethernet

6. La paire de fils torsadés • Liaison PC–concentrateur • PC-PC

7. La paire de fils torsadés On envoie un signal différentiel sur une paire torsadée. Le récepteur mesurera la différence entre les deux signaux. Un parasite externe induira une perturbation de même signe sur les deux conducteurs de la paire, ce qui sera annulé par le récepteur

8. La paire de fils torsadés Si par exemple, sur un fil, 1 est codé 5v et 0 est codé 0v, sur l'autre fil, 1 est codé -5v et 0 est codé 0v, à l'arrivée on fait la différence des signaux; si la différence est 10, on a codé un 1; si la différence est un 0, on a codé un zéro. Si une perturbation électromagnétique dégrade le signal, la différence est constante. Exemple : un courant de 2v est créé dans le câble et on est en train de coder un 1 : le signal va être 7v et -3v; donc la différence est constante.

9. Le câble coaxial. • composé de deux conducteurs concentriques séparés par un isolant. • impédance 50 Ohm. • Connectique : prises BNC (British Naval Connection). [thin coax only]. • Avantages. • grande capacité de transmission (500 Mbps), • grande largeur de bande d’une fréquence de 350 MHz.

10. Le câble coaxial. • coaxial fin (Thin). • 10Base2. • 30 stations maximum par segment. • 5 segments maximum, • 185 m maximum et 50 cm minimum.

11. Le câble coaxial. • gros coaxial (Thick): C’est une épine dorsale (backbone) qui nécessite l’utilisation de prises vampires. • 10Base5. • 100 stations maximum par segment. • 5 segments maximum, • 500 m maximum et 2,5 m minimum.

12. La fibre optique • Aspects physiques • Principes généraux • Émissions • Types de fibres • WDM • Crédits

13. Aspects physiques • Que fait la lumière lorsqu'elle rencontre un obstacle ? • Elle le traverse. • Elle est réfléchie par cet obstacle. • Elle est absorbée par cet obstacle. • Elle subit une combinaison de ces trois possibilités. 

14. Aspects physiques • Imaginons que le bleu soit de l'air et le jaune du verre. Un rayon de lumière qui vient de l'air vers le verre selon un angle d'incidence donné va: • Se réfléchir et retourner dans l'air, c'est le rayon réfléchi (sinon, les vitres de vos voisins ne vous éblouiraient jamais en réfléchissant le soleil) • Pénétrer dans le verre (sinon vous ne verriez rien à travers vos vitres, ni à travers celles de vos voisins) en subissant une déviation de trajectoire. • Perdre un peu d'énergie dans l'aventure (sinon, les vitres ne chaufferaient pas au soleil).

15. Aspects physiques • Le bilan énergétique doit être nul, à savoir que l'énergie réfléchie plus l'énergie réfractée (transmise) plus l'énergie absorbée égalent l'énergie incidente. (Loi de la conservation de l'énergie, sans laquelle le monde serait bien plus chaotique que ce qu'il n'est déjà). • Le rapport entre l'énergie réfléchie et l'énergie transmise varie en fonction de l'angle d'incidence. • Il existe un angle critique.Alors, ça dépend de la façon dont on le mesure. S'il est mesuré comme indiqué sur le schéma, lorsque cet angle devient inférieur à l'angle critique, il n'y a plus de rayon réfracté et, aux pertes par absorption près, la totalité du rayon incident est réfléchie. Ceci va être très important pour la suite. • L'angle de déviation entre le rayon incident et le rayon réfracté dépend de plusieurs choses. • De la nature du dioptre (séparation entre les milieux); autrement dit, ça dépend des deux milieux considérés. • Le plus souvent, ça dépend également de la longueur d'onde de la lumière incidente. Sinon, les arcs-en-ciel n'existeraient pas. Si les milieux ne sont pas dispersifs, alors il n'y a pas d'arc-en-ciel. Mais la plupart des milieux le sont (ça va d'ailleurs nous poser des problèmes)

16. Aspects physiques Affaiblissement de la lumière en fonction de la longueur d'onde de la source L'affaiblissement de la lumière dans la fibre est fonction de la longueur d'onde de la source. Elle est constante pour toutes les fréquences du signal utile transmis.   l'affaiblissement est plus important dans le rouge (850nM) que dans l'infrarouge (1300-1550nM).

18. Fabrication de la fibre La fabrication d'une fibre optique passe par la réalisation d'une préforme cylindrique en barreau de silice. La silice est un composé oxygéné du silicium, de formule SiO2, présent dans un grand nombre de minéraux, tels que le quartz, la calcédoine et l'opale. La fibre est ensuite étirée à partir de ce barreau. Son centre, qui constitue le coeur de la fibre, nécessite une silice très pure avec un minimum d'ions hydroxyles OH- . Le coeur est entouré d'une silice de moindre qualité qui forme la gaine optique. On réalise un écart d'indice entre le coeur et la gaine en incorporant des dopants, tels que :- le germanium et le phosphore qui accroissent l'indice dans le coeur, - le bore et le fluor qui le font décroître dans la gaine. Une préforme de verre d'une longueur de 1 m et d'un diamètre de 10 cm permet d'obtenir par étirement une fibre monomode d'une longueur d'environ 150 Km.

19. 3 types d’émetteurs: • Light Emmiting Diode : dans le rouge visible (850nM). • Les diodes à infrarouge : dans l'invisible (1300nM ) • Les lasers, pour la fibre monomode : longueur d’onde 1300 ou 1550nM Diode électroluminescente Puissance d’une LED +- 1mW Puissance d’une diode laser -+ 5mW

20. Ouverture numérique Le cône d’acceptance est l’ensemble des rayons admis (qui remplissent la condition de réflexion) Ouverture numériques (numeric aperture) de la fibre optique: le sinus de l'angle limite Typiquement: 0.33 et 0.56

21. Trois types de fibres • La fibre à saut d'indice • 200/380 constituée d'un coeur et d'une gaine optique en verre de différents indices de réfraction. Cette fibre provoque de par l'importante section du coeur, une grande dispersion des signaux la traversant, ce qui génère une déformation du signal reçu. • La fibre à gradient d'indice • La fibre monomode La fibre autorise l’utilisation de sources de faibles puissances; elle admet plusieurs rayons qui se propagent sur des chemins différents ou modes de propagation = MMF = fibre multimode (MultiMode optical Fiber)

22. Trois types de fibres • La fibre à saut d'indice le chemin parcouru n'a pas la même longueur pour tous les rayons. C'est ce que l'on appelle la dispersion modale (DMD, Differential Mode Delay). réflexion des signaux lumineux en fonction de leur angle d'émission

23. Trois types de fibres • La fibre à saut d'indice • La fibre à gradient d'indice • dont le coeur est constitué de couches de verre successives ayant un indice de réfraction proche. On s'approche ainsi d'une égalisation des temps de propagation, ce qui veut dire que l'on a réduit la dispersion nodale. Bande passante typique 200-1500Mhz par km. C'est ce type de fibre qui est utilisé à l'intérieur des bâtiments de l'Université (62.5/125) et entre certains sites desservis par les PTT (50/125). • La fibre monomode

24. Trois types de fibres • La fibre à gradient d'indice

25. Trois types de fibres • La fibre à saut d'indice • La fibre à gradient d'indice • La fibre monomode • dont le coeur est si fin que le chemin de propagation des différents mode est pratiquement direct. La dispersion nodale devient quasiment nulle. La bande passante transmise est presque infinie (> 10Ghz/km). Cette fibre est utilisée essentiellement pour les sites à distance. • Le petit diamètre du coeur (10um) nécessite une grande puissance d'émission, donc des diodes au laser qui sont relativement onéreuses.

26. Trois types de fibres • La fibre monomode SMF :Single Mode Optical Fiber La fibre est monomode uniquement au-delà d’une certaine longueur d’onde (1200 nm)

27. Trois types de fibres Propagation de la lumière dans les trois types de fibres

28. Trois types de fibres L'atténuation est constante quelle que soit la fréquence Seule la dispersion lumineuse limite la largeur de la bande passante.

29. Les connecteurs • Les plus répandus: Connecteur ST Connecteur SC

30. Les connecteurs • Les plus répandus: Connecteur SC  Connecteur ST • Pour les FDDI Connecteur MIC

31. Les connections On réalise bien qu'en montant un réseau de fibres optiques , il faut à un moment ou à un autre connecter des fibres entre elles ; autant en électronique , il est facile de connecter deux fils de cuivre par soudure ou épissure , autant joindre parfaitement deux fibres est une tâche contraignante et minutieuse . Il est essentiel de minimiser les pertes car c'est aux connexions que le signal perd l'essentiel de sa puissance : on voit aux évènements 3 , 4 et 5 que l'affaiblissement du signal est non négligeable aux lieux de connexion entre les différentes fibres .

32. Les connections Il faut réunir de nombreuses conditions afin de réaliser une connexion qui minimisera les pertes : - aplanir la face de contact , ou la rendre parfaitement sphérique par polissage , en veillant à ce qu'elle soit perpendiculaire à l'axe optique - aligner les deux fibres (voir la figure suivante) - traiter les faces avec un revêtement antiréflexion - vérifier la soudure si soudure il y a et l'entourer d'une gaine de protection

33. Le multiplexage WDM et DWDM Le Wavelength Division Multiplexing (WDM) et le DenseWDM (DWDM) sont des technologies permettant de transmettre plusieurs signaux simultanément dans une même fibre optique . On cherche dans tous les cas à optimiser l'utilisation de la fenêtre de transmission de la fibre (environ 100nm) . (Il existe aussi le CoarseWDM qui est une autre norme ) . Le WDM sépare chaque canal de 0.8nm et le DenseWDM de 0.2nm . L'intérêt de la fibre optique est que ces signaux ne peuvent se confondre , à la réception ils seront parfaitement distingués .

34. Le multiplexage WDM et DWDM On réalise le multiplexage principalement dans des fibres monomodes . A partir de plusieurs laser à spectre fin ou d'un seul à spectre large , on réalise un échantillonnage de longueurs d'onde de l'ordre du 1/10 ème de nanomètre . On parvient à l'heure actuelle à réaliser 256 canaux dans une seule fibre . Un système que l'on appelle OADM (Optical Add Drop Multiplexer) , permet d'inclure un canal supplémentaire ou d'en retirer un à un lieu précis de la fibre , ceci se réalise à l'aide de filtres (comme des réseaux de Bragg par exemple) . En réalisant un échantillonnage de plus en plus fin , on pourra obtenir des fibres à très large bande passante , et ajouté au système OADM (avec le principe d'une autoroute : on peut aller d'un bout à l'autre ou sortir - rentrer en un lieu précis) cela permettra d'obtenir un réseau flexible. Le multiplexage est ainsi une technologie incontournable des télécommunications par fibre optique .

35. Performances • Avantages de la fibre optique La fibre optique a de gros avantages par rapport à son concurent direct, le conducteur électrique. L'atténuation du signal dans celle-ci est bien inférieure à celle dans un câble cuivré. De même, les distances de couverture dans necessité d'amplificateur de puissance son bien plus élevées. Pour finir, le débit maximum de la fibre optique est très nettement supérieur à celui qui peut être obtenu dans un simple conducteur électrique. • Vitesse de transmissionLa vitesse de transmission des données dans la fibre optique est bien supérieure aux quelques centaines de mégabits pouvant être transférés dans des câbles cuivrés. La vitesse maximale a été obtenue par Alcatel, et est de 10,2 Tb/s soit 10.200 Gb/s sur une distance limitée de 100 Km, mais sur une distance plus élevée, 7300 Km, la vitesse atteinte est de l'ordre de 3 Tb/s, soit 3.000 Gb/s !

36. Questions - Réponses La fibre optique coûte-t-elle cher ? Non. Par rapport au câble en cuivre, elle aurait même tendance à coûter moins cher. En revanche, la connectique et les convertisseurs d'énergie électrique/lumineuse et réciproquement à placer aux extrémités coûtent cher, très cher même, suivant les technologies mises en oeuvre.

37. Questions - Réponses La fibre optique est-elle bidirectionnelle ? Oui. Cependant, on ne l'utilise souvent que dans un seul sens, pour simplifier les convertisseurs placés aux extrémités. Si l'on souhaite exploiter une fibre optique dans les deux sens, il faudra: Utiliser des longueurs d'onde différentes pour chaque sens. Utiliser des extrémités capables de capter de la lumière pour la convertir en électricité ET émettre de la lumière en fonction d'un signal électrique. C'est réalisable, mais ça a un coût.

38. Questions - Réponses Peut-on passer plusieurs informations différentes dans la même fibre et les récupérer à l'autre bout intactes ? Oui, il y a même deux méthodes pour le faire: Si l'on utilise plusieurs longueurs d'ondes lumineuses. Là aussi, ça a une incidence sur la complexité des équipements aux extrémités. C'est du multiplexage spatial, à rapprocher du "large bande" sur le cuivre ou la HF. On peut également faire du multiplexage temporel.

39. Questions - Réponses • Quels sont les principaux avantages de la fibre optique ? • La fibre optique est totalement insensible aux rayonnements électromagnétiques dans lesquels nous baignons. • L'atténuation du signal est inférieure à celle d'un conducteur électrique et les distances couvertes sans nécessité d'installer des amplificateurs sont bien plus grandes. • La bande passante est généralement bien supérieure à celle que l'on peut obtenir avec un câble électrique.

40. Questions - Réponses La fibre optique est-elle fragile ? Pas particulièrement. C'est la connectique qui peut l'être. Le seul problème, c'est le rayon de courbure minimum qui la rend assez peu souple d'emploi pour les installations "volantes".

41. Questions - Réponses Quelles performances peut-on en attendre ? D'une grosse centaine de Méga bits par seconde, comparable à ce que l'on sait faire avec du cuivre, au record actuel (à l'heure où ces lignes sont écrites) détenu par Alcatel:10,2 Tbit/s (10 200 Gbit/s), sur une distance de 100 kilomètres. Un autre record: 3 Tbit/s (3 000 Gbit/s), sur une distance record de 7 300 kilomètres

42. Credits • http://fr.wikipedia.org/wiki/Fibre_optique#Non-lin.C3.A9arit.C3.A9 • http://www.telcite.fr/nwdm.htm • http://www.telcite.fr/fibre.htm • http://christian.caleca.free.fr/fibroptique/fibre_optique.htm • http://www.httr.ups-tlse.fr/pedagogie/cours/fibre/fotheori.htm

43. Le réseau téléphonique commuté • La parole téléphonique. • Contraintes. • temps réel (acheminement parole max 300ms). • Signaux remis au destinataire à des moments précis (= application isochrone). • Phénomène d’écho (28 ms). Non détectable si – de 60 ms aller-retour. • Bande passante (3200 Hz). • Théorème d'échantillonnage de ShannonFréq. échantillonnage >= 2 x Fréq. max du signal analogique à numériser.Dans notre cas: Fe >= 6400 Hz

44. Le réseau téléphonique commuté • La parole téléphonique. • La normalisation MIC (modulation par impulsion et codage) s’appuie sur 8.000 échantillons/sec soit 1 échantillon toutes les 125 µs. • Chaque échantillon est ensuite codé, une valeur numérique est donnée à la valeur de fréquence de l'échantillon. codif. 8 bits en Europe (débit de 64 Kbits/sec), 7 bits en Amérique du Nord (débit de 56 Kbits/sec).

45. Le réseau téléphonique commuté • La parole téléphonique. • Compression par codification différentielle.On transmet seulement la différence avec l’échantillon précédent. Pour éviter une trop grande erreur, on envoie à intervalles réguliers, une valeur complète.

46. IntroductionLa transmission d'informations • La parole téléphonique Codage différentiel de la parole téléphonique

47. IntroductionExercice 1 • Quel est le débit minimal exigé pour transmettre une parole de meilleure qualité que la parole téléphonique (codage des échantillons sur 16 bits au lieu de 8) sur un réseau de bande passante de 10 Khz ?

48. IntroductionSolution 1 • Comme le nombre d’échantillons doit être au moins égal au double de la bande passante, soit 20.000 points par seconde, et que chaque échantillon est codé sur 16 bits, il faut un débit de 320 kbits/sec

49. IntroductionExercice 2 • Soit un codeur MIC générant un flot constant de 64 Kbps pour de la parole téléphonique. Quel est le temps de paquetisation nécessaire à un paquet de 48 octets ?

50. IntroductionSolution 2 • Comme le codeur MIC s’appuie sur 8000 échantillons par seconde, le temps entre 2 échantillons est de 125 µs. • Le temps de remplissage d’un paquet est de 48 x 125 µs, ce qui donne 6 ms. • Chaque paquet transporte donc 6ms de parole.