Transmission radio

Dans la transmission radio, une antenne rayonnante est utilisée pour convertir un courant électrique variant dans le temps en une onde ou un champ électromagnétique, qui se propage librement à travers un milieu non conducteur tel que l'air ou l'espace. 

Dans un canal radio diffusé, une antenne omnidirectionnelle rayonne un signal transmis sur une large zone de service. Dans un canal radio point à point, une antenne d'émission directionnelle est utilisée pour focaliser l'onde en un faisceau étroit, qui est dirigé vers un seul site récepteur. Dans les deux cas, l'onde électromagnétique transmise est captée par une antenne de réception à distance et reconvertie en courant électrique.

D'autre part, contrairement aux canaux guidés tels que le fil ou la fibre optique, le milieu à travers lequel les ondes radio se propagent est très variable, étant soumis à des changements diurnes, annuels et solaires dans l'ionosphère, des variations de la densité des gouttelettes d'eau dans la troposphère , des gradients d'humidité variables et diverses sources de réflexion et de diffraction.

Le SNR reçu est dégradé par une combinaison de deux facteurs: la perte de divergence du faisceau et l'atténuation atmosphérique. La perte de divergence du faisceau est causée par la propagation géométrique du champ électromagnétique lors de son déplacement dans l'espace. Comme la puissance du signal d'origine est répartie sur une zone en croissance constante, seule une fraction de l'énergie transmise atteint une antenne de réception. 

Pour un émetteur rayonnant omnidirectionnel, qui diffuse son signal sous la forme d'une onde sphérique en expansion, la divergence du faisceau fait diminuer l'intensité du champ reçu d'un facteur 1 / r2, où r est le rayon du cercle ou la distance entre l'émetteur et le récepteur.

L'autre cause de dégradation du SNR, l'atténuation atmosphérique, dépend du mécanisme de propagation ou des moyens par lesquels les ondes électromagnétiques non guidées se déplacent de l'émetteur au récepteur. Les ondes radio sont propagées par une combinaison de trois mécanismes: la propagation des ondes atmosphériques, la propagation des ondes de surface et la propagation des ondes réfléchies. Ils sont décrits ci-dessous.

Propagation atmosphérique
Dans la propagation atmosphérique, l'onde électromagnétique se déplace dans l'air le long d'un seul chemin de l'émetteur au récepteur. Le chemin de propagation peut suivre une ligne droite, ou il peut se courber autour des bords d'objets, tels que des collines et des bâtiments, par diffraction des rayons. La diffraction permet aux téléphones mobiles de fonctionner même lorsqu'il n'y a pas de voie de transmission en visibilité directe entre le téléphone et la station de base.

L'atténuation atmosphérique n'est pas significative pour les fréquences radio inférieures à 10 gigahertz. Au-dessus de 10 gigahertz dans des conditions d'air clair, l'atténuation est causée principalement par les pertes d'absorption atmosphérique; celles-ci deviennent importantes lorsque la fréquence transmise est du même ordre que les fréquences de résonance des constituants gazeux de l'atmosphère, tels que l'oxygène (O2), la vapeur d'eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2). 

L'atténuation atmosphérique ne change pas progressivement à travers le spectre; il existe de courtes «fenêtres» spectrales, qui spécifient les bandes de fréquences où la transmission se produit avec des pertes d'absorption d'air clair minimes. Des pertes supplémentaires dues à la diffusion se produisent lorsque des particules en suspension dans l'air, telles que des gouttelettes d'eau ou de la poussière, présentent des diamètres transversaux qui sont du même ordre que les longueurs d'onde du signal. 

La perte de diffusion due à de fortes précipitations est la forme d'atténuation dominante pour les fréquences radio allant de 10 gigahertz à 500 gigahertz (micro-ondes à longueurs d'onde submillimétriques), tandis que la perte de diffusion due au brouillard domine pour les fréquences allant de 103 gigahertz à 106 gigahertz (infrarouge par la lumière visible) gamme).

Propagation en surface
Pour les basses fréquences radio, les antennes terrestres rayonnent des ondes électromagnétiques qui se déplacent le long de la surface de la Terre comme dans un guide d'ondes. L'atténuation des ondes de surface augmente avec la distance, la résistance du sol et la fréquence transmise. 

L'atténuation est plus faible sur l'eau de mer, qui a une conductivité élevée, que sur la terre ferme, qui a une faible conductivité. À des fréquences inférieures à 3 mégahertz, les ondes de surface peuvent se propager sur de très grandes distances. Des gammes de 100 km (environ 60 miles) à 3 mégahertz à 10,000 6,000 km (1 XNUMX miles) à XNUMX kilohertz ne sont pas rares.

Propagation réfléchie
Parfois, une partie de l'onde transmise se déplace vers le récepteur par réflexion sur une frontière lisse dont les irrégularités de bord ne sont qu'une fraction de la longueur d'onde transmise. Lorsque la frontière réfléchissante est un conducteur parfait, une réflexion totale sans perte peut se produire. 

Cependant, lorsque la frontière réfléchissante est un matériau diélectrique ou non conducteur, une partie de l'onde peut être réfléchie tandis qu'une partie peut être transmise (réfractée) à travers le milieu, conduisant à un phénomène connu sous le nom de perte de réfraction. Lorsque la conductivité du diélectrique est inférieure à celle de l'atmosphère, une réflexion totale peut se produire si l'angle d'incidence (c'est-à-dire l'angle par rapport à la normale ou une ligne perpendiculaire à la surface de la limite réfléchissante) est inférieur à a certain angle critique.

Les formes courantes de propagation des ondes réfléchies sont la réflexion du sol, où l'onde est réfléchie par la terre ou l'eau, et la réflexion ionosphérique, où l'onde est réfléchie par une couche supérieure de l'ionosphère terrestre (comme dans la radio à ondes courtes; voir ci-dessous Le spectre des fréquences radioélectriques : HF).

Certaines liaisons radio terrestres peuvent fonctionner par une combinaison de propagation des ondes atmosphériques, de propagation des ondes de surface, de réflexion au sol et de réflexion ionosphérique. Dans certains cas, cette combinaison de chemins de propagation peut produire de graves évanouissements au niveau du récepteur. L'évanouissement se produit lorsqu'il y a des variations importantes de l'amplitude et de la phase du signal reçu dans le temps ou l'espace. 

L'évanouissement peut être sélectif en fréquence, c'est-à-dire que différentes composantes de fréquence d'un même signal transmis peuvent subir différentes quantités d'évanouissement. Une forme particulièrement sévère d'évanouissement sélectif en fréquence est causée par des interférences à trajets multiples, qui se produisent lorsque des parties de l'onde radio se déplacent le long de nombreux chemins de propagation réfléchis différents vers le récepteur. 

Chaque trajet délivre un signal avec une temporisation légèrement différente, créant des «fantômes» du signal transmis à l'origine au niveau du récepteur. Un «fondu profond» se produit lorsque ces fantômes ont des amplitudes égales mais des phases opposées - s'annulant efficacement par des interférences destructrices. Lorsque la géométrie du chemin de propagation réfléchi varie rapidement, comme pour une radio mobile se déplaçant dans une zone urbaine avec de nombreux bâtiments hautement réfléchissants, un phénomène appelé évanouissement rapide se produit. 

L'évanouissement rapide est particulièrement gênant à des fréquences supérieures à un gigahertz, où même quelques centimètres de différence dans les longueurs des chemins de propagation peuvent modifier considérablement les phases relatives des signaux à trajets multiples. Une compensation efficace pour un évanouissement rapide nécessite l'utilisation de techniques de combinaison de diversité sophistiquées, telles que la modulation du signal sur plusieurs ondes porteuses, des transmissions répétées sur des intervalles de temps successifs et plusieurs antennes de réception.

Le spectre des radiofréquences
Avant 1930, le spectre radioélectrique supérieur à 30 mégahertz était pratiquement vide de signaux d'origine humaine. Aujourd'hui, les signaux radio civils peuplent le spectre radioélectrique dans huit bandes de fréquences, allant de la très basse fréquence (VLF), commençant à 3 kilohertz, et s'étendant à la fréquence extrêmement élevée (EHF), se terminant à 300 gigahertz.

Une mesure importante de l'efficacité avec laquelle une antenne d'émission fournit sa puissance à une antenne de réception à distance est la puissance rayonnée isotrope effective (PIRE), mesurée en watts par mètre carré. Pour obtenir une PIRE élevée, les dimensions de l'antenne doivent être plusieurs fois plus grandes que la plus grande longueur d'onde transmise. 

Pour les fréquences inférieures à la bande de fréquences moyennes (MF), où les longueurs d'onde vont de plus de 100 mètres (environ 330 pieds), cela n'est généralement pas pratique; dans ces cas, les émetteurs doivent compenser la faible PIRE en émettant à une puissance plus élevée. Cela rend les bandes de fréquences jusqu'à haute fréquence (HF) inadaptées à des applications telles que les radios personnelles portatives, les radiomessageurs et les transpondeurs de satellite, dans lesquels une petite taille d'antenne et une efficacité énergétique sont essentielles.

Deux liaisons radio peuvent partager la même bande de fréquences ou la même zone géographique de couverture, mais elles ne peuvent pas partager les deux sans interférence. Par conséquent, l'utilisation internationale du spectre radio est strictement réglementée par l'Union internationale des télécommunications (UIT), tandis que les liaisons radio nationales sont réglementées par des agences nationales telles que la Federal Communications Commission (FCC) des États-Unis. 

Chaque liaison radio se voit attribuer une bande de fréquences de fonctionnement spécifique, un diagramme de rayonnement d'émetteur spécifique et une puissance d'émission maximale. Par exemple, une station de radio ou de télévision diffusée peut être autorisée à diffuser uniquement dans certaines directions et uniquement à certains moments de la journée. Des bandes passantes de fréquences sont également attribuées, allant de 300 hertz pour les radiotélégraphes à 10 kilohertz pour les radiotéléphones de qualité vocale à plus de 500 mégahertz pour les relais radio numériques multicanaux dans le réseau téléphonique à environ 850 mégahertz pour les téléphones cellulaires.

VLF-MF
Les bandes de très basse fréquence à moyenne fréquence (VLF-MF) s'étendent de 3 kilohertz à 3 mégahertz, ou longueurs d'onde de 100 km à 100 mètres. Ces bandes sont utilisées pour les services analogiques à faible bande passante tels que la radionavigation longue distance, les canaux de télégraphe et de détresse maritime et la radiodiffusion AM standard. 

En raison de la bande passante disponible insuffisante, ils ne conviennent pas aux services de télécommunications à large bande tels que la télévision et la radio FM. En raison de la conductivité élevée de l'eau salée, les transmissions radio maritimes à VLF peuvent se propager via des ondes de surface sur des milliers de kilomètres.

HF
La radio haute fréquence (HF) est dans la bande de longueurs d'onde de 100 à 10 mètres, s'étendant de 3 mégahertz à 30 mégahertz. Une grande partie de la bande HF est allouée aux services de communication vocale mobiles et fixes nécessitant des bandes passantes de transmission inférieures à 12 kilohertz. La radiodiffusion internationale (radio à ondes courtes) est également diffusée dans la bande HF; il est attribué à sept bandes étroites comprises entre 5.9 mégahertz et 26.1 mégahertz.

Le principal mode de propagation des transmissions radio HF est la réflexion de l'ionosphère, une série de couches ionisées de l'atmosphère dont l'altitude varie d'environ 50 à 300 km (environ 30 à 200 miles) au-dessus de la Terre. L'ionisation est causée principalement par le rayonnement du soleil, de sorte que les couches varient en hauteur et en réflectivité avec le temps. Pendant la journée, l'ionosphère se compose de quatre couches situées à des altitudes moyennes de 70 km (couche D), 110 km (couche E), 200 km (couche F1) et 320 km (couche F2). 

La nuit, les couches D et E disparaissent souvent et les couches F1 et F2 se combinent pour former une seule couche à une altitude moyenne de 300 km. Les conditions de réflexion évoluent donc avec le temps. Pendant la journée, une onde radio HF peut se refléter sur les couches E, F1 ou F2. La nuit, cependant, il ne peut se refléter que sur la couche F à haute altitude, créant de très longues plages de transmission. (La couche D ne réfléchit pas aux fréquences HF et atténue simplement l'onde radioélectrique se propageant.) Dans la bande HF inférieure, des portées de transmission de plusieurs milliers de kilomètres peuvent être atteintes par de multiples réflexions, appelées sauts, entre la Terre et les couches de l'ionosphère.

Les bandes de très haute fréquence à ultra haute fréquence (VHF-UHF) sont dans la gamme de longueurs d'onde de 10 mètres à 10 cm (33 pieds à 4 pouces), s'étendant de 30 mégahertz à 3 gigahertz. Certaines de ces bandes sont utilisées pour des services de diffusion tels que la radio FM (aux États-Unis, 88–108 mégahertz), la télévision VHF (54–88 mégahertz pour les canaux 2–6, 174–220 mégahertz pour les canaux 7–13), et Télévision UHF (fentes de fréquence dispersées entre 470 et 806 mégahertz). 

La bande UHF est également utilisée pour les relais de télévision en studio et à distance, les liaisons hyperfréquences en visibilité directe (1.7–2.3 gigahertz) et la téléphonie cellulaire (806–890 mégahertz). Des parties de la bande sont utilisées pour des applications de radionavigation, telles que les systèmes d'atterrissage aux instruments (108–112 mégahertz), les communications des avions militaires (225–400 mégahertz), les balises radio de contrôle de la circulation aérienne (1.03–1.09 gigahertz) et les satellites. basé sur le système de positionnement mondial Navstar (GPS; liaison montante de 1.575 gigahertz et liaison descendante de 1.227 gigahertz). 

Dans le système de diffusion numérique en direct nord-américain, un téléviseur équipé d'un syntoniseur QAM (modulation d'amplitude en quadrature) peut décoder des signaux numériques, qui sont diffusés dans chaque bande de 6 mégahertz déjà attribuée à cette station, c'est-à-dire un station qui diffuse maintenant des signaux analogiques sur le canal 7, qui fonctionne de 174 à 180 mégahertz, utilise la même bande passante pour diffuser des signaux numériques.

De puissants émetteurs UHF peuvent atteindre des plages de transmission au-delà de l'horizon en dispersant l'énergie transmise au-dessus des couches de la troposphère (la couche la plus basse de l'atmosphère, où se trouvent la plupart des nuages ​​et des systèmes météorologiques). Contrairement aux signaux dans la bande HF de longueur d'onde plus longue, pour lesquels les couches dans l'atmosphère apparaissent comme des surfaces réfléchissantes relativement lisses, les signaux dans la bande UHF de longueur d'onde courte réfléchissent les petites irrégularités dans les couches atmosphériques comme si ces irrégularités étaient des réflecteurs granulaires orientés de manière aléatoire. 

Les réflecteurs dispersent le signal UHF se propageant dans de nombreuses directions, de sorte que seule une fraction de la puissance du signal transmis peut atteindre le récepteur. De plus, en raison de perturbations imprévisibles des conditions atmosphériques, une décoloration importante peut se produire sur un trajet donné, à un moment donné et à une fréquence radio donnée. Pour cette raison, un relais de diffusion troposphérique utilise généralement des combinaisons de techniques de diversité d'espace, de temps et de fréquence. Un relais typique relie deux grands terminaux sur des portées de 320 à 480 km (200 à 300 miles) et transporte jusqu'à 100 canaux vocaux.

Les bandes de très haute fréquence à très haute fréquence (SHF-EHF) se situent dans la gamme de longueurs d'onde du centimètre au millimètre, qui s'étend de 3 gigahertz à 300 gigahertz. Les largeurs de bande attribuées typiques dans la bande SHF vont de 30 mégahertz à 300 mégahertz - des bandes passantes qui permettent des communications numériques à haut débit (jusqu'à 1 gigabit par seconde). 

En plus de la dégradation due à la décoloration et à l'atténuation atmosphérique, les ondes radio dans la bande SHF-EHF subissent des pertes de pénétration élevées lorsqu'elles se propagent à travers les murs extérieurs des bâtiments. En raison de la forte atténuation atmosphérique, et en particulier des pertes par diffusion des précipitations, la bande EHF est actuellement la bande radio la moins peuplée pour les communications terrestres. Cependant, il a été utilisé pour les communications intersatellites et la radionavigation par satellite - applications dans lesquelles l'atténuation atmosphérique n'est pas un facteur.

Une liaison hyperfréquence en visibilité directe utilise des antennes émettrices et réceptrices hautement directionnelles pour communiquer via un faisceau radio à focalisation étroite. Le trajet de transmission d'une liaison hyperfréquence en visibilité directe peut être établi entre deux antennes terrestres, entre une antenne terrestre et une antenne satellite, ou entre deux antennes satellite. Les liaisons en visibilité directe à large bande fonctionnent à des fréquences comprises entre 1 et 25 gigahertz (la bande de longueur d'onde en centimètres) et peuvent avoir des largeurs de bande de transmission approchant 600 mégahertz. 

Aux États-Unis, les liaisons hyperfréquences en visibilité directe sont utilisées pour les communications militaires, les flux de studio pour la radiodiffusion et la télévision par câble, et les lignes communes pour le trafic téléphonique interurbain. Un système de relais radioélectrique micro-ondes numérique longue distance et de grande capacité relie deux points distants de 2,500 4 km en utilisant une combinaison de neuf répéteurs terrestres et satellites. Chaque répéteur fonctionne à 80 gigahertz, transmettant sept canaux de bande passante de 200 mégahertz à XNUMX mégabits par seconde par canal.

La portée maximale des systèmes de visibilité directe terrestres est limitée par la courbure de la Terre. Pour cette raison, un répéteur radio micro-ondes avec antennes émettrices et réceptrices montées sur des tours de 30 mètres (100 pieds) a une portée maximale d'environ 50 km (30 miles), tandis que la portée maximale augmentera jusqu'à environ 80 km (50 miles). ) si les tours sont élevées à 90 mètres (300 pieds). Les liaisons hyperfréquences en visibilité directe sont sujettes à de graves évanouissements, en raison de la réfraction du faisceau transmis le long du chemin de propagation. 

Dans des conditions normales, l'indice de réfraction de l'atmosphère diminue avec l'augmentation de l'altitude. Cela signifie que les parties supérieures du faisceau se propagent plus rapidement, de sorte que le faisceau est légèrement courbé vers la Terre, produisant des plages de transmission qui vont au-delà de l'horizon géométrique. Cependant, des perturbations atmosphériques temporaires peuvent modifier le profil d'indice de réfraction, provoquant une flexion différente du faisceau et, dans les cas graves, une absence totale de l'antenne du récepteur. 

Par exemple, un fort gradient de vapeur négatif sur un plan d'eau, avec une concentration de vapeur augmentant plus près de la surface, peut provoquer une flexion du faisceau vers la Terre qui est beaucoup plus nette que la courbure de la Terre - un phénomène appelé canalisation.

Un satellite de télécommunications est un groupe spatial sophistiqué de répéteurs radio, appelés transpondeurs, qui relie les émetteurs radio terrestres aux récepteurs radio terrestres via une liaison montante (une liaison de l'émetteur terrestre au récepteur satellite) et une liaison descendante (une liaison de l'émetteur satellite vers la Terre). receveur). 

La plupart des satellites de télécommunications ont été placés en orbite géostationnaire (GEO), une orbite circulaire à 35,785 22,235 km (XNUMX XNUMX miles) au-dessus de la Terre, dans laquelle la période de leur révolution autour de la Terre est égale à la période de rotation de la Terre. Restant ainsi fixés au-dessus d'un point de la surface de la Terre (dans pratiquement tous les cas, au-dessus de l'équateur), les satellites GEO peuvent voir un patch stationnaire couvrant plus d'un tiers du globe. 

En raison d'une si large zone de couverture, les satellites GEO peuvent fournir une variété de services de télécommunications, tels que la transmission point à point longue distance, la diffusion sur une large zone (d'un seul émetteur à plusieurs récepteurs) ou un rapport sur une grande zone. services de retour (de plusieurs émetteurs à un seul récepteur). 

Les satellites GEO modernes disposent de plusieurs antennes émettrices et réceptrices micro-ondes, qui permettent à un seul satellite de former une combinaison de faisceaux à large zone de couverture pour la diffusion et de «faisceaux ponctuels» à petite zone de couverture pour les communications point à point. En commutant entre ces faisceaux sur demande - un processus appelé accès multiple à demande (DAMA) - les satellites multifaisceaux peuvent relier des utilisateurs mobiles et fixes largement distribués qui ne peuvent pas être reliés économiquement par des câbles à fibres optiques ou des relais radio terrestres.

Les premiers terminaux terrestres étaient de très grandes installations, dotées d'antennes d'émission et de réception micro-ondes d'un diamètre de 30 mètres ou plus. Aujourd'hui, des milliers de câblo-opérateurs obtiennent la télévision, la radio et d'autres sources de programmes des satellites de diffusion GEO via une antenne de 1.5 à 3 mètres (5 à 10 pieds) montée sur une tour ou un toit. 

Dans le réseau de terminaux à très petite ouverture (VSAT), utilisé principalement pour la communication commerciale de données, les satellites GEO servent de relais central entre un concentrateur terrestre et un réseau étendu de petits émetteurs-récepteurs terrestres bon marché avec des antennes paraboliques aussi petites que 40 cm ( 16 pouces) de diamètre. D'autres systèmes par satellite fournissent des services de positionnement, de navigation et de messagerie à l'échelle mondiale aux petits appareils portatifs ou aux récepteurs mobiles dans les automobiles, les camions, les trains, les navires marchands, les bateaux de plaisance et les avions.

De nombreux satellites GEO ont été conçus pour fonctionner dans la bande dite C, qui utilise des fréquences de liaison montante / liaison descendante de 6/4 gigahertz, ou dans la bande Ku, dans laquelle les fréquences de liaison montante / liaison descendante sont de l'ordre de 14/11 gigahertz. 

Ces bandes de fréquences ont été sélectionnées pour exploiter des «fenêtres» spectrales ou des régions de la bande micro-ondes dans lesquelles il y a une faible atténuation atmosphérique et un faible bruit externe. Différentes fréquences micro-ondes sont utilisées pour la liaison montante et la liaison descendante afin de minimiser les fuites de puissance des émetteurs embarqués vers les récepteurs embarqués. Les fréquences inférieures sont choisies pour la liaison descendante la plus difficile car l'atténuation atmosphérique est moindre aux fréquences inférieures.

La communication optique utilise un faisceau de lumière monochromatique modulée pour transporter les informations de l'émetteur au récepteur. Le spectre lumineux s'étend sur une gamme énorme dans le spectre électromagnétique, s'étendant de la région de 10 térahertz (104 gigahertz) à 1 million de térahertz (109 gigahertz). 

Cette gamme de fréquences couvre essentiellement le spectre de l'infrarouge lointain (longueur d'onde de 0.3 mm) à travers toute la lumière visible jusqu'au proche ultraviolet (longueur d'onde de 0.0003 micromètre). Se propageant à des fréquences aussi élevées, les longueurs d'onde optiques sont naturellement adaptées aux télécommunications à haut débit. Par exemple, la modulation d'amplitude d'une porteuse optique à la fréquence proche infrarouge de 300 térahertz d'aussi peu que 1% donne une largeur de bande de transmission qui dépasse la plus grande largeur de bande de câble coaxial disponible d'un facteur de 1,000 ou plus.

Les mécanismes de perte dans un canal optique en espace libre sont pratiquement identiques à ceux d'un canal radio à micro-ondes en visibilité directe. Les signaux sont dégradés par la divergence du faisceau, l'absorption atmosphérique et la diffusion atmosphérique. La divergence du faisceau peut être minimisée en collimant (en parallèle) la lumière transmise en un faisceau étroit cohérent en utilisant une source de lumière laser pour un émetteur. 

Les pertes par absorption atmosphérique peuvent être minimisées en choisissant des longueurs d'onde de transmission situées dans l'une des «fenêtres» à faibles pertes dans la région infrarouge, visible ou ultraviolette. L'atmosphère impose des pertes d'absorption élevées lorsque la longueur d'onde optique se rapproche des longueurs d'onde de résonance des constituants gazeux tels que l'oxygène (O2), la vapeur d'eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et l'ozone (O3). Par temps clair, l'atténuation de la lumière visible peut être d'un décibel par kilomètre ou moins, mais des pertes de diffusion importantes peuvent être causées par toute variabilité des conditions atmosphériques, telles que la brume, le brouillard, la pluie ou la poussière en suspension dans l'air.

Contrairement à la transmission par fil, dans laquelle un courant électrique traverse un conducteur en cuivre, en transmission par fibre optique, un champ électromagnétique (optique) se propage à travers une fibre constituée d'un diélectrique non conducteur. En raison de sa bande passante élevée, de sa faible atténuation, de son immunité aux interférences, de son faible coût et de sa légèreté, la fibre optique devient le support de choix pour les liaisons de télécommunications numériques fixes à haut débit. 

Les câbles à fibres optiques supplantent les câbles à fils de cuivre dans les applications à longue distance, comme les lignes d'alimentation et de ligne de réseau des boucles téléphoniques et de télévision par câble, et dans les applications à courte distance, comme les réseaux locaux (LAN) pour les ordinateurs et la distribution à domicile de téléphones. , télévision et services de données. 

Par exemple, le câble optique standard Bellcore OC-48, utilisé pour le partage des données numérisées, des signaux vocaux et vidéo, fonctionne à un taux de transmission allant jusqu'à 2.4 gigabits (2.4 milliards de chiffres binaires) par seconde par fibre. C'est un débit suffisant pour transmettre le texte dans tous les volumes de l'Encyclopædia Britannica imprimée (2 gigabits de données binaires) en moins d'une seconde.

Une liaison de communication à fibres optiques comprend les éléments suivants: un émetteur électro-optique, qui convertit les informations analogiques ou numériques en un faisceau de lumière modulé; une fibre porteuse de lumière, qui s'étend sur le chemin de transmission; et un récepteur optoélectronique, qui convertit la lumière détectée en un courant électrique. Pour les liaisons longue distance (supérieures à 30 km ou 20 miles), des répéteurs régénératifs sont généralement nécessaires pour compenser l'atténuation de la puissance du signal. 

Dans le passé, des répéteurs hybrides optiques-électroniques étaient couramment utilisés; ceux-ci comprenaient un récepteur optoélectronique, un traitement électronique du signal et un émetteur électro-optique pour régénérer le signal. Aujourd'hui, les amplificateurs optiques dopés à l'erbium sont utilisés comme répéteurs tout optiques efficaces.

Deux types d'émetteurs électro-optiques sont couramment utilisés dans les liaisons à fibres optiques: la diode électroluminescente (LED) et le laser à semi-conducteur. La LED est une source lumineuse à large bande utilisée pour les liaisons à vitesse moyenne et à courte portée dans lesquelles la dispersion du faisceau lumineux sur la distance n'est pas un problème majeur. La LED est moins coûteuse et a une durée de vie plus longue que le laser à semi-conducteur. 

Cependant, le laser à semi-conducteur couple sa sortie de lumière à la fibre optique beaucoup plus efficacement que la LED, ce qui le rend plus approprié pour des portées plus longues, et il a également un temps de «montée» plus rapide, permettant des taux de transmission de données plus élevés. Des diodes laser sont disponibles qui fonctionnent à des longueurs d'onde à proximité de 0.85, 1.3 et 1.5 micromètre et ont des largeurs de raie spectrale inférieures à 0.003 micromètre. Ils sont capables de transmettre à plus de 10 gigabits par seconde. Il existe des LED capables de fonctionner sur une plus large gamme de longueurs d'onde porteuses, mais elles présentent généralement des pertes d'insertion et des largeurs de ligne supérieures à 0.035 micromètre.

Une fibre optique est constituée d'un noyau transparent gainé d'un revêtement transparent et d'un revêtement de protection en plastique opaque. Le noyau et le revêtement sont des diélectriques avec des indices de réfraction différents, le revêtement ayant un indice inférieur à celui du noyau. Selon une norme adoptée par le Comité consultatif international télégraphique et téléphonique (CCITT), le diamètre extérieur d'une fibre gainée haute performance est d'environ 125 micromètres, tandis que le diamètre de l'âme varie généralement de 8 à 50 micromètres. 

Le changement brusque de l'indice de réfraction entre le cœur et le revêtement rend l'intérieur de l'interface cœur-revêtement hautement réfléchissant aux rayons lumineux qui effleurent l'interface. La fibre agit donc comme un miroir tubulaire, confinant la plupart des rayons de lumière se propageant à l'intérieur du noyau.

La largeur de bande d'une fibre optique est limitée par un phénomène connu sous le nom de dispersion multimode, qui est décrit comme suit. Différents angles de réflexion à l'intérieur du cœur de fibre créent des chemins de propagation différents pour les rayons lumineux. Les rayons qui se déplacent le plus près de l'axe du noyau se propagent par ce qu'on appelle le mode d'ordre zéro; d'autres rayons lumineux se propagent par des modes d'ordre supérieur. C'est la présence simultanée de nombreux modes de propagation au sein d'une même fibre qui crée une dispersion multimode. 

La dispersion multimode fait en sorte qu'un signal d'intensité transmise uniforme arrive à l'extrémité de la fibre selon un «motif d'interférence» spatial complexe et ce motif peut à son tour se traduire par une «propagation» ou une «bavure» d'impulsions et une interférence intersymbole au niveau du récepteur optoélectronique. production. La propagation des impulsions s'aggrave dans les fibres plus longues.

Lorsque l'indice de réfraction est constant dans le cœur, la fibre est appelée fibre à indice étagé (SI). La fibre à indice gradué (GI) réduit la dispersion multimode en classant l'indice de réfraction du noyau de sorte qu'il s'effile en douceur entre le centre du noyau et le revêtement. 

Un autre type de fibre, connu sous le nom de fibre monomode (SM), élimine la dispersion multimode en réduisant le diamètre du noyau à un point où il ne passe que les rayons lumineux du mode d'ordre zéro. Les diamètres de noyau SM typiques sont de 10 micromètres ou moins, tandis que les diamètres de noyau SI standard sont dans la plage de 50 micromètres. Les fibres monomodes sont devenues le support dominant dans les liaisons à fibres optiques à longue distance.

D'autres causes importantes de distorsion du signal dans les fibres optiques sont la dispersion des matériaux et la dispersion des guides d'ondes. La dispersion des matériaux est un phénomène dans lequel différentes longueurs d'onde optiques se propagent à différentes vitesses, en fonction de l'indice de réfraction du matériau utilisé dans le cœur de la fibre. 

La dispersion du guide d'onde ne dépend pas du matériau du cœur de fibre mais de son diamètre; elle provoque également la propagation de différentes longueurs d'onde à différentes vitesses. Comme c'est le cas dans la dispersion multimode, décrite ci-dessus, la dispersion du matériau et du guide d'onde provoque l'étalement des impulsions lumineuses reçues et peut conduire à des interférences intersymboles.

Puisqu'un signal transmis contient toujours des composants à différentes longueurs d'onde, la dispersion des matériaux et la dispersion des guides d'ondes sont des problèmes qui affectent non seulement les fibres SI et GI mais également les fibres SM. Pour les fibres SM, cependant, il existe une longueur d'onde de transmission à laquelle la dispersion du matériau annule exactement la dispersion du guide d'onde. Cette longueur d'onde de «dispersion nulle» peut être ajustée en modifiant la composition du matériau (et donc l'indice de réfraction) ainsi que le diamètre du cœur de fibre. 

De cette manière, les fibres SM sont conçues pour présenter leur longueur d'onde de dispersion nulle à proximité de la longueur d'onde de support optique prévue. Pour une fibre SM standard CCITT avec un noyau de 8 micromètres, la longueur d'onde de dispersion nulle se produit près de la longueur d'onde de 1.3 micromètre de certaines diodes laser. D'autres fibres SM ont été développées avec une longueur d'onde de dispersion nulle de 1.55 micromètre.

Le processus de production pour la fabrication de fibres optiques est extrêmement exigeant, nécessitant des tolérances très étroites sur l'épaisseur du noyau et du revêtement. 

Bien que la fabrication de fibres de faible qualité à partir de matériaux polymères transparents ne soit pas rare, la plupart des fibres optiques haute performance sont en verre de silice fondu. L'indice de réfraction du cœur ou du revêtement est modifié au cours du processus de fabrication en diluant du verre de silice pur avec du fluor ou du germanium dans un processus appelé dopage. (Le processus de fabrication lui-même est décrit dans le verre industriel: Formage du verre: fibres optiques.) Plusieurs fibres peuvent être regroupées dans une gaine commune autour d'un élément de renforcement central pour former un câble à fibres optiques. 

Pour les câbles à fibres optiques qui doivent fonctionner dans des environnements défavorables, par exemple les câbles sous-marins, d'autres couches de matériaux de renforcement et de protection peuvent être ajoutées. Ces couches peuvent comprendre des tubes tampons à une seule fibre, du ruban de liant textile, un revêtement pare-humidité, du ruban d'acier ondulé et des gaines en plastique résistant aux chocs.

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