ETUDE DES SYSTÈMES DE DISTRIBUTION DU SON DE L'IMAGE ET DES DONNEES (partie 3/6)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire le principe de fonctionnement, la structure et les caractéristiques électriques d’un câble coaxial utilisé en télédistribution. - Calculer l’atténuation et le retour d’un lien coaxial, choisir les amplificateurs et les répartiteurs adaptés, et mettre en œuvre les mesures de contrôle (analyseur de spectre, reflectomètre). - Expliquer les avantages de la fibre optique, distinguer les types de fibres (monomode/multimode) et déterminer le budget optique d’un lien. - Réaliser une épissure à l’arc, mesurer la perte avec un OTDR et respecter les normes ITU‑T G.652. - Mettre en œuvre le multiplexage en longueur d’onde (WDM/CWDM/DWDM), choisir les équipements actifs (laser, photodiode, EDFA) et compenser la dispersion. - Appliquer les règles de sécurité laser (classe 1M, 2M, etc.) et d’hygiène sur les chantiers de fibre optique au Cameroun. **Prérequis** : - Notions de propagation des ondes électromagnétiques (longueur d’onde, fréquence, impédance). - Bases de l’optique géométrique (indice de réfraction, angle d’incidence, réflexion/refraction). - Connaissances élémentaires des réseaux de communication (topologie, protocoles). - Règles de sécurité électrique de base (mise à la terre, protection contre les surintensités). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la diffusion télévisuelle et la transmission de données à haut débit s’appuient de plus en plus sur des infrastructures de télédistribution fiables. Les opérateurs locaux (Cameroon Radio‑Television, Canal 2, MTN, etc.) utilisent encore largement le câble coaxial pour la distribution du signal analogique et numérique dans les zones urbaines, tandis que la fibre optique se déploie rapidement pour les liaisons dorsales, les réseaux FTTH (Fiber‑To‑The‑Home) et les services de télécommunication 4G/5G. Maîtriser ces deux technologies permet au technicien supérieur de concevoir, installer et maintenir des réseaux de distribution du son, de l’image et des données conformes aux normes internationales et aux exigences du MINESEC/IGE. --- ## I. Télédistribution par câble coaxial (Leçon 11) ### 1. Principe de fonctionnement Le câble coaxial transporte un signal électrique à haute fréquence (de quelques MHz à plusieurs GHz) entre un émetteur et un récepteur. Le conducteur central porte le signal, tandis que le blindage métallique extérieur agit comme un retour de masse et protège contre les interférences électromagnétiques (EMI). > **Le mode de propagation dominant est le mode TEM (Transverse Electro‑Magnetic) ; les champs électrique et magnétique sont perpendiculaires au conducteur et au blindage.** ### 2. Structure du câble coaxial | Élément | Matériau typique | Fonction | |---------|------------------|----------| | Âme conductrice | Cuivre nu ou cuivre étamé (RG‑6, RG‑11) | Porte le signal | | Diélectrique | Polyéthylène expansé (PE) ou mousse de polypropylène | Maintient l’impédance caractéristique | | Blindage extérieur | Tresse de cuivre + feuille d’aluminium | Retour de masse, blindage EMI | | Gaine extérieure | PVC ou PEHD | Protection mécanique et contre l’humidité | L’impédance caractéristique standard pour la télédistribution vidéo est **75 Ω** (tolérances ±5 Ω). ### 3. Atténuation et perte de retour L’atténuation (en dB) dépend de la longueur, de la fréquence et du type de câble : \[ \alpha(f) = \alpha_0 \sqrt{f}\quad\text{(approx. pour RG‑6)} \] où \(\alpha_0\) est une constante propre au câble (ex. : 0,02 dB·√MHz⁻¹·m⁻¹ pour le RG‑6). Cette approximation est valable pour les fréquences inférieures à quelques centaines de MHz ; à 860 MHz on utilise les valeurs fournies par le constructeur. La perte de retour (RL) mesure la partie du signal réfléchie vers l’émetteur à cause d’impédances non adaptées : \[ \text{RL (dB)} = -20\log_{10}\left|\frac{Z_L - Z_0}{Z_L + Z_0}\right| \] Un RL > 20 dB est généralement considéré comme acceptable. ### 4. Équipements d’amplification - **Amplificateurs linéaires** (gain 20‑40 dB, bruit de figure < 5 dB) placés tous les 500 m à 1 km selon l’atténuation calculée. - **Répartiteurs (splitters)** 2‑ voies, 4‑ voies, avec perte d’insertion typique de 3,5 dB (2‑ voies) et 7 dB (4‑ voies). - **Blocs de filtrage** (low‑pass, high‑pass) pour séparer les services (ex. : TV analogique, DVB‑T2, données DOCSIS). ### 5. Normes et sécurité - **IEC 60728‑11** : caractéristiques des câbles coaxiaux pour la télévision. - **NF C 15‑100** (section dédiée aux installations de télédistribution) : mise à la terre du blindage, protection contre les surtensions. - En chantier, porter des gants isolants et vérifier la continuité du blindage avec un ohmmètre avant toute mise sous tension. ### 6. Exemple chiffré : atténuation sur 500 m de RG‑6 à 860 MHz Données : atténuation constructeur du RG‑6 à 860 MHz ≈ 6,8 dB/100 m. \[ A = 6,8 \times \frac{500}{100} = 34\text{ dB} \] Pour compenser cette perte, on peut placer un amplificateur linéaire de gain 35 dB au milieu du lien (à 250 m). Après les premiers 250 m (perte 17 dB), l’amplificateur ajoute 35 dB, donnant un niveau net de +18 dB par rapport à l’entrée ; les derniers 250 m retirent encore 17 dB, laissant une marge de ≈ 1 dB. ### 7. Atelier : mesure d’atténuation 1. Relier le générateur de signal (ex. : analyseur de spectre) à l’entrée du câble. 2. Mesurer le niveau en dBm à l’entrée (Pin) et à la sortie (Pout) après 500 m. 3. Calculer l’atténuation : \(A = P_{in} - P_{out}\) (dB). 4. Vérifier le retour avec un réflectomètre dans le domaine temporel (TDR) ; chercher des réflexions > ‑20 dB. --- ## II. Télédistribution par fibre optique partie 1 (Leçon 12) ### 1. Avantages de la fibre optique - Bande passante quasi illimitée (jusqu’à plusieurs THz). - Atténuation très faible (0,2 dB/km à 1550 nm pour la monomode). - Immunité aux EMI et aux surtensions de foudre. - Petite taille et légèreté, facilitant le déploiement en milieu urbain camerounais. ### 2. Types de fibres | Type | Diamètre cœur | Diamètre cladding | Applications typiques | |------|---------------|-------------------|-----------------------| | Monomode (SMF‑28) | 8‑10 µm | 125 µm | Liaisons longues (> 10 km), télécom, FTTH | | Multimode (OM3/OM4) | 50 µm | 125 µm | Réseaux locaux (LAN), data centers (< 2 km) | | Fibre à indice gradué (GI) | 50‑62,5 µm | 125 µm | Ancien LAN, certaines vidéosurveillance | ### 3. Propagation de la lumière L’angle d’acceptation \(\theta_a\) définit le cône de lumière pouvant pénétrer dans le cœur : \[ \text{NA} = n_0 \sin\theta_a = \sqrt{n_{core}^2 - n_{clad}^2} \] où \(n_{core}\) et \(n_{clad}\) sont les indices de réfraction du cœur et du cladding, \(n_0\) étant l’indice du milieu extérieur (air ≈ 1,0). > **Pour une fibre monomode standard, NA ≈ 0,12.** ### 4. Pertes dans la fibre - **Atténuation intrinsèque** : absorption (OH⁻) + diffusion Rayleigh. Valeur typique : 0,2 dB/km à 1550 nm, 0,35 dB/km à 1310 nm. - **Pertes de connexion** : soudure (épissure) typique 0,1 dB, connecteur FC/PC 0,3‑0,5 dB. - **Pertes de courbure** : rayon de courbure < 30 mm peut ajouter > 0,5 dB. ### 5. Normes - **ITU‑T G.652.D** : fibre monomode standard (non décalée en dispersion), utilisée pour la plupart des réseaux métropolitains. - **IEC 60793‑2‑50** : spécifications des fibres multimode. - **NF C 15‑100** (partie fibre optique) : règles d’installation, mise à la terre des gaines métalliques, protection contre les écrasements. ### 6. Exemple chiffré : budget optique pour un lien de 2 km (FC/PC) Paramètres : - Atténuation fibre à 1550 nm : 0,20 dB/km → 0,40 dB pour 2 km. - Deux connecteurs FC/PC : 0,4 dB chacun → 0,8 dB. - Marge de sécurité : 1,0 dB. Budget total : \[ L_{total} = 0,40 + 0,80 + 1,00 = 2,20\text{ dB} \] Si la puissance émise du laser est : ‑2 dBm, la puissance reçue sera : ‑4,2 dBm, toujours au‑dessus du seuil de sensibilité typique d’un récepteur PIN (‑28 dBm). Le lien est donc viable. ### 7. Atelier : épissure à l’arc et mesure OTDR 1. Préparer les extrémités (décapage, nettoyage à l’alcool). 2. Placer les fibres dans le porte‑épissure à l’arc, lancer le cycle de fusion (≈ 1,2 s, 1800 °C). 3. Vérifier la perte avec un OTDR : lire la valeur d’atténuation au point d’épissure (objectif < 0,15 dB). 4. Documenter le résultat dans le registre de chantier (date, technicien, perte mesurée). --- ## III. Télédistribution par fibre optique partie 2 (Leçon 13) ### 1. Multiplexage en longueur d’onde (WDM) - **CWDM** (Coarse WDM) : espacement 20 nm, 8‑16 canaux de 1270 nm à 1610 nm, coût faible, adapté aux réseaux métropolitains de 20‑80 km. - **DWDM** (Dense WDM) : espacement 0,4 nm (≈ 50 GHz) ou 0,2 nm (≈ 25 GHz), jusqu’à 80‑160 canaux, utilisé pour les dorsales longue distance (> 80 km) et les liaisons inter‑urbaines. > **La formule du canal central : \(\lambda_c = \lambda_0 + n \times \Delta\lambda\) où \(\lambda_0\) est la longueur d’onde de départ, \(n\) le numéro du canal, \(\Delta\lambda\) l’espacement.** ### 2. Équipements actifs | Composant | Fonction | Caractéristique clé | |-----------|----------|---------------------| | Laser DFB (Distributed Feedback) | Émission monomode stable | Longueur d’onde précise (± 0,1 nm), puissance 0‑10 dBm | | Photodiode PIN/APD | Conversion optique‑électrique | Responsivité 0,9 A/W (PIN), gain APD 10‑30 | | Amplificateur EDFA (Erbium‑Doped Fiber Amplifier) | Amplification en bande C (1530‑1565 nm) | Gain 20‑30 dB, bruit de figure < 5 dB | | Multiplexeur/démultiplexeur (MUX/DEMUX) | Séparation/combinaison des longueurs d’onde | Insertion loss < 1,0 dB, isolation > 30 dB | ### 3. Gestion de la dispersion - **Dispersion chromatique** : dépend de la longueur d’onde et du profil d’indice. Valeur typique pour G.652.D à 1550 nm : 17 ps/(nm·km). - **Compensation** : modules de dispersion compensatrice (DCF) ou chirped Bragg gratings. - **Dispersion modale** (uniquement multimode) : limitée par le profil d’indice ; négligeable en monomode. ### 4. Topologies de réseau | Topologie | Avantages | Inconvénients | Exemple d’usage au Cameroun | |-----------|-----------|---------------|-----------------------------| | Point‑à‑point | Simple, faible perte | Pas de redondance | Liaison entre deux stations de télédiffusion (Yaoundé‑Douala) | | Arbre (bus) | Faible coût de câblage | Pérte cumulative, difficulté de dépannage | Distribution FTTH dans un quartier | | Anneau | Redondance, réconfiguration rapide | Nécessite des add/drop multiplexeurs | Réseau métropolitain de télécom (Camtel) | | Étoile | Gestion centralisée, facile à tester | Consommation de ports au cœur | OLT dans un nœud FTTH (Orange) | ### 5. Sécurité laser et hygiène - Les lasers utilisés en télécom sont généralement de classe **1M** (sans danger pour l’œil nu tant que le faisceau n’est pas focalisé) ou **2M** (danger si observé à travers des instruments d’optique). - **Règles** : ne jamais regarder directement dans une fibre active, utiliser des lunettes de protection adaptées (OD > 3 à 1550 nm), vérifier l’absence de puissance avec un mètre‑puissance avant toute manipulation. - En atelier, porter des gants anti‑statique et éviter les poussières qui pourraient rayer les connecteurs. ### 6. Exemple chiffré : dimensionnement d’un lien DWDM 40 canaux, 100 GHz spacing, 80 km - Espacement en longueur d’onde : \(\Delta\lambda \approx 0,8\) nm à 1550 nm (puisque \(\Delta\lambda = \lambda^2 \Delta f / c\)). - Puissance par canal : 0 dBm (1 mW). - Perte fibre : 0,22 dB/km × 80 km = 17,6 dB. - Pertes connecteurs (2 extrémités) : 0,2 dB chacun → 0,4 dB. - Perte brute fibre + connecteurs = 18,0 dB. - On place deux EDFA en cascade, chacun à mi‑parcours (40 km). Chaque segment voit une perte fibre de 0,22 dB/km × 40 km = 8,8 dB plus une perte de connecteur de 0,2 dB, soit 9,0 dB. Le gain nécessaire par ampli est donc ≈ 9,0 dB, bien inférieur aux 22 dB disponibles → chaque ampli travaille avec une grande marge de gain. - Le bruit de figure de l’EDFA (5,5 dB) domine ; le deuxième ampli ajoute négligeablement à la NF totale grâce au gain élevé du premier. On peut approximer la NF totale du système par **≈ 5,5 dB**. - Puissance reçue par canal après le deuxième EDFA : 0 dBm − 9,0 dB + 22 dB − 9,0 dB = +4,0 dBm. En tenant compte du bruit (NF ≈ 5,5 dB) et du facteur de répartition sur 40 canaux (10 log₁₀ 40 ≈ 16 dB), l’OSNR reste largement supérieur au seuil de détection cohérent (typiquement > 15 dB). Ainsi, deux EDFA en cascade offrent une marge de bruit confortable (> 15 dB). ### 7. Atelier : configuration d’un MUX/DÉMUX CWDM 1. Insérer les plaquettes filtrantes dans le châssis selon le plan de longueurs d’onde (ex. : 1470, 1490, 1510, 1530 nm). 2. Connecter les entrées laser (TX) aux ports du MUX, vérifier les niveaux avec un mètre‑puissance (± 0,5 dB). 3. Diriger les sorties du DEMUX vers les récepteurs RX, mesurer la puissance et le taux d’erreur de bits (BER) < 10⁻¹². 4. Documenter les pertes d’insertion et l’isolation pour chaque canal. --- ## Synthèse du chapitre - **Câble coaxial** : impédance 75 Ω, atténuation ≈ 6,8 dB/100 m à 860 MHz, besoin d’amplificateurs tous les 500‑1000 m, RL > 20 dB, normes IEC 60728‑11, mise à la terre du blindage. - **Fibre optique (partie 1)** : cœur monomode 8‑10 µm, NA ≈ 0,12, atténuation 0,20 dB/km à 1550 nm, pertes de connexion 0,1‑0,5 dB, normes ITU‑T G.652.D (fibre monomode standard), épissure à l’arc < 0,15 dB, OTDR pour contrôle. - **Fibre optique (partie 2)** : WDM (CWDM/DWDM) pour multiplier la capacité, lasers DFB, photodiodes PIN/APD, EDFA gain 20‑30 dB, dispersion chromatique 17 ps/(nm·km) à 1550 nm, topologies point‑à‑point, arbre, anneau, étoile, sécurité laser classe 1M/2M, protection oculaire obligatoire. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Atténuation | Perte de puissance d’un signal exprimée en dB sur une longueur donnée. | | Impédance caractéristique (Z₀) | Rapport tension/courant d’une ligne de transmission sans réflexions (75 Ω pour le coaxial TV). | | Retour (RL) | Mesure en dB de la puissance réfléchie vers l’émetteur due à un désadaptation d’impédance. | | NA (Numerical Aperture) | Mesure de la capacité d’une fibre à capturer la lumière, NA = √(n_core²‑n_clad²). | | Épissure à l’arc | Fusion permanente de deux fibres optiques par un arc électrique. | | OTDR | Optic Time‑Domain Reflectometer, instrument mesurant la perte et localisant les défauts dans une fibre. | | WDM | Wavelength Division Multiplexing, technique permettant de transmettre plusieurs longueurs d’onde sur une même fibre. | | EDFA | Erbium‑Doped Fiber Amplifier, amplificateur optique à bande C utilisé en longue distance. | | Dispersion chromatique | Étalement d’un pulse lumineux dû à la dépendance de la vitesse de la lumière à la longueur d’onde dans la fibre. | | Classe de laser 1M | Classe de sécurité où le faisceau est sans danger pour l’œil nu tant qu’il n’est pas focalisé par des instruments d’optique. | | Marge de sécurité | Valeur ajoutée au budget de perte pour garantir un fonctionnement fiable malgré les variations environnementales. | | Connecteur FC/PC | Type de connecteur fibre optique à vis, poli physiquement, perte typique 0,3‑0,5 dB. | | MUX/DÉMUX | Multiplexeur/Démultiplexeur, dispositif qui combine ou sépare plusieurs longueurs d’onde. | | BER | Bit Error Rate, taux d’erreur de bits mesuré après détection optique. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Calcul d’atténuation coaxial **Énoncé** : Un câble RG‑11 doit transporter un signal DVB‑T2 à 600 MHz sur une distance de 800 m. L’atténuation spécifiée du constructeur est 5,2 dB/100 m à cette fréquence. Déterminer l’atténuation totale et proposer le gain d’un amplificateur linéaire à placer à mi‑parcours pour maintenir le niveau de sortie au moins égal au niveau d’entrée. **Corrigé** : Atténuation totale : \(A = 5,2 \times \frac{800}{100} = 41,6\) dB. Pour que le niveau de sortie soit au moins égal au niveau d’entrée, le gain total de l’amplificateur doit compenser l’atténuation totale. Si l’on place un seul amplificateur à mi‑parcours (400 m), son gain doit être égal à l’atténuation totale : **G ≈ 41,6 dB**. Alternativement, on peut utiliser deux amplificateurs identiques placés chacun à mi‑parcours de chaque demi‑segment, chacun avec un gain d’environ **20,8 dB** (gain net ≈ 0 dB après chaque segment). ### Exercice 2 – Budget optique d’un lien FTTH **Énoncé** : Un lien FTTH utilise une fibre monomode G.652.D de 1,2 km, deux connecteurs SC/APC (0,3 dB chacun) et un répartiteur 1 × 4 (perte d’insertion 7,0 dB). La puissance émise du laser OLT est + 3 dBm. La sensibilité du récepteur ONU est ‑ 27 dBm. Calculer la marge de lien et conclure si le lien est viable. **Corrigé** : Atténuation fibre : 0,20 dB/km × 1,2 km = 0,24 dB. Pertes connecteurs : 2 × 0,3 = 0,6 dB. Perte répartiteur : 7,0 dB. Perte totale : 0,24 + 0,6 + 7,0 = 7,84 dB. Puissance reçue : 3 dBm − 7,84 dB = ‑4,84 dBm. Marge = Puissance reçue − Sensibilité = ‑4,84 dBm − (‑27 dBm) = 22,16 dB. **Conclusion** : Marge largement positive (> 10 dB), le lien est viable avec une bonne réserve. ### Exercice 3 – Dimensionnement d’un lien DWDM **Énoncé** : Concevoir un lien DWDM de 100 km utilisant 32 canaux, espacement 50 GHz (≈ 0,4 nm à 1550 nm). Chaque canal émet à 0 dBm. Les pertes fibre sont 0,22 dB/km, les connecteurs 0,2 dB chacun, et l’EDFA disponible offre un gain de 22 dB avec un NF de 5,5 dB. Déterminer le nombre d’amplificateurs nécessaires en cascade et la marge de bruit totale. **Corrigé** : Perte fibre totale : 0,22 dB/km × 100 km = 22 dB. Pertes connecteurs (2 extrémités) : 0,4 dB. Perte brute : 22,4 dB. Un seul EDFA de gain 22 dB laisserait un déficit de ≈ 0,4 dB ; on préfère donc placer deux EDFA en cascade, chacun à mi‑parcours (50 km). Chaque segment voit une perte fibre de 0,22 dB/km × 50 km = 11 dB plus une perte de connecteur de 0,2 dB, soit 11,2 dB. Le gain nécessaire par ampli est donc ≈ 11,2 dB, bien inférieur aux 22 dB disponibles → chaque ampli travaille avec une grande marge de gain. Le bruit de figure de l’EDFA (5,5 dB) domine ; le deuxième ampli ajoute négligeablement à la NF totale grâce au gain élevé du premier. On peut approximer la NF totale du système par **≈ 5,5 dB**. Puissance par canal à la sortie du deuxième EDFA : 0 dBm − 11,2 dB + 22 dB − 11,2 dB ≈ ‑0,4 dBm. En tenant compte du bruit (NF ≈ 5,5 dB) et du facteur de répartition sur 32 canaux (10 log₁₀ 32 ≈ 15 dB), l’OSNR reste largement supérieur au seuil de détection cohérent (typiquement > 15 dB). Ainsi, deux EDFA en cascade offrent une marge de bruit confortable (> 15 dB). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Négliger la continuité du blindage du câble coaxial lors du raccordement | Retour élevé (> ‑10 dB) → échos, dégradation de l’image | Vérifier systématiquement la continuité du blindage avec un ohmmètre avant toute mise sous tension ; renouveler la serre‑câble si le blindage est endommagé. | | 2 | Utiliser un connecteur FC/PC sur une fibre monomode sans respecter l’orientation de la clé | Perte d’insertion augmentée (> 1 dB) et risque de rayure du ferrule | Toujours aligner la clé du connecteur avec l’encoche du adaptateur ; nettoyer les ferrule avec une solution d’isopropanol et une lingette sans peluche avant insertion. | | 3 | Oublier de mesurer la puissance laser avant de travailler sur un lien actif | Exposition oculaire à des niveaux dangereux (classe 1M/2M) | Utiliser un mètre‑puissance optique pour confirmer que la puissance est nulle (< ‑ 40 dBm) avant de déconnecter ou de splicer une fibre. | | 4 | Courber la fibre optique sous un rayon inférieur à 10 mm lors du tirage en gaine | Perte de courbure > 0,5 dB, possible micro‑fissure | Respecter le rayon de courbure minimal spécifié (souvent 10 mm pour le câble de tirage, 30 mm pour la fibre nue) ; utiliser des guides de courbure et des rouleaux adaptés. | | 5 | Surcharger un répartiteur coaxial avec trop de sorties (ex. : 8‑ voies sur un splitter 2‑ voies) | Perte d’insertion excessive, réflexions, dégradation du signal | Respecter le facteur de division du splitter ; utiliser un splitter adapté au nombre de sorties souhaité ou prévoir un étage d’amplification intermédiaire. | | 6 | Ne pas mettre à la terre la gaine métallique d’un câble coaxial extérieur | Risque de surtension par foudre, détérioration du matériel | Connecter la gaine métallique à la terre de l’installation selon la norme NF C 15‑100 (câble de mise à la terre de 16 mm² minimum). | --- *Fin du cours.*