3 Juin 2015

Un peu de vulgarisation : les télécommunications

Présentation détaillée du fonctionnement des télécommunications

Comment ça marche... les télécommunications ?

Comment communiquer à grande distance ?  Cette question se pose depuis l’Antiquité.
Le terme « télécommunications » se réfère à la transmission, l’émission ou la réception à distance de signaux diffusant des informations de toute nature : texte, image, son etc. Par opposition aux messagers et postiers, les télécommunications véhiculent les messages immatériels.

Télégraphe optique. Crédits : Musée de la Poste - Paris
Télégraphe optique. Crédits : Musée de la Poste - Paris

Câbles et ondes radio transportent aujourd’hui tout type d’informations d’un bout à l’autre de la planète grâce à de nombreux réseaux qui s’organisent, se développent et se combinent presque à l’infini.

Mais avant d’en arriver là, nos aïeux ont dû rivaliser d’ingéniosité pour transmettre leurs messages.

Les premiers signaux lumineux, la fumée, les cris sont ainsi les ancêtres des télégraphe, téléphone, radio, télévision, puis télécopie et Internet, grâce aux progrès fulgurants qu’ont permis l’électricité et plus tard l’informatique.
Résultats d’une technologie de plus en plus sophistiquée, ces outils devenus indispensables sont également l’aboutissement d’une aventure humaine ancienne.

Le saviez-vous ?

L’union internationale des télécommunications (UIT)
Depuis 1865, cette institution regroupant environ 195 états membres accompagne et harmonise le développement des télécommunications dans le monde. Elle apporte une assistance technique aux pays en voie de développement et assure la régulation et la normalisation des activités (comme l’attribution des bandes de fréquences). En France, l’ART (Autorité de régulation des télécommunications) gère les lois françaises et la concurrence.

Histoire et techniques des télécommunications

Dès l'Antiquité, la communication à distance s'est imposée comme un besoin et une nécessité.

Ainsi, on voit apparaître torches et phares lumineux en Grèce, tambours et trompettes sur les champs de bataille puis le tam-tam dans la savane, la fumée chez les Indiens, la trompe aux abords des châteaux forts ou le chant au Tyrol.

Signaux optiques et sonores n'ont cependant une portée que de quelques km. Le premier véritable réseau de communication apparaît à la fin de la Révolution française : le télégraphe optique de Chappe relie Paris et Lille grâce à un réseau de sémaphores véhiculant des messages codés de proche en proche.

Après ½ siècle de service, le télégraphe électrique s'y substitue en transmettant les signaux par l'intermédiaire de fils métalliques, de jour comme de nuit et quelles que soient les conditions atmosphériques. Il sera ensuite amélioré grâce à l'utilisation du Morse puis de l'alphabet.
Le télégraphe électrique donne également lieu aux premières recherches sur la transmission d’images fixes ; l’analyse et la transmission ligne par ligne de la photographie se généralisent à l’image animée, aboutissant à la télévision vers 1920. Des câbles sous-marins permettent progressivement d’établir les liaisons intercontinentales.

Parallèlement, le téléphone, basé sur l’électromagnétisme, fait son apparition : les vibrations sonores de la voix sont transformées en signaux électriques grâce à un champ magnétique.

Le saviez-vous ?

Un train peut en cacher un autre…
En France, télégraphe et train avaient l’habitude de se côtoyer : l’équipement des lignes de télégraphie s’est effectué avec les compagnies de chemin de fer. Les lignes étaient installées le long des voies : bénéficiant d’une surveillance permanente, elles ont également profité aux cheminots pour communications entre les gares.

Faits marquants de l'histoire des télécommunications

Antiquité

1792

12 juillet 1793

Août 1794

1837

24 mai 1844

1846

1851

18 août 1858

1868

Juin 1876

1877

1901

1904

1908

1923

10 novembre 1935

1940

1946

10 juillet 1962

1977

10 juillet 1981

1982

1992

Premiers messages diffusés par l’intermédiaire de systèmes optiques et sonores en Grèce, Egypte, Rome, Gaule, Chine.

Présentation du télégraphe optique par Claude Chappe (France)

Première transmission entre Belleville et Saint-Martin-du-Tertre, sur 35 km

Mise en service de la ligne de télégraphe optique entre Paris et Lille.

Apparition du télégraphe électrique

Première transmission d’un télégramme électrique grâce à un télégraphe « inscripteur » en alphabet Morse

Ouverture de la première ligne opérationnelle de télégraphe électrique en France entre Paris et Lille

Pose du premier câble électrique sous-marin entre la France et l’Angleterre

Première communication transatlantique

Transmission des messages en clair grâce au télégraphe électrique, sans codage.

Première conversation téléphonique

Premiers réseaux urbains de téléphonie à New York

Liaison sansfil entre les Cornouailles et Terre-Neuve, sur 3 400 km

Première transmission d’une photographie entre Munich et Nuremberg

  Liaison radiotéléphonique entre la Bretagne et Paris

Apparition de la télévision selon son principe actuel

Démarrage officiel des émissions de télévision en France

Utilisation opérationnelle des premiers téléphones sans fils analogiques (Etats-Unis)

Apparition du télex (France)

Lancement de Telstar, premier satellite de télécommunications, depuis les Etats-Unis.

Première liaison commerciale par fibre optique en téléphonie (Etats-Unis)

Première mise en service du Minitel (France)

Adoption officielle des protocoles officiels et distribution pour le réseau Internet

Commercialisation des premiers téléphones mobiles de seconde génération (réseau numérique GSM)

L'avènement du sans fil

Télégraphe électrique et téléphone donnent une impulsion extraordinaire au développement des télécommunications.

Mais très rapidement, la nécessité de s'affranchir des fils entre émetteurs et récepteurs s'impose. La fin du XIXème siècle verra de nombreux travaux sur les ondes électromagnétiques, dont les lois de propagations montrent qu'une information peut être véhiculée sans avoir recours à des câbles.

Le développement de la TSF (Télégraphie ou Téléphonie sans fil) a ainsi des retombées considérables, bien que les premières transmissions restent médiocres. Les applications sont nombreuses : apparition de la radiophonie et des premiers téléphones sans fils, d'équipements radio pour la sécurité des navires et pour les communications militaires.

Reste cependant la barrière du relief et des très grandes distances à franchir. Du fait de la multiplicité des relais nécessaires, le système s'avère rapidement coûteux et limité pour les liaisons intercontinentales.


Les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite, alors que la Terre est ronde. Dans le cas de 2 points éloignés (A), les ondes émises ne peuvent donc atteindre le relais, à moins de placer plusieurs relais intermédiaires (B) pour contourner les obstacles et la courbure de la planète.
Moins coûteux, le satellite est dans ce cas un relais idéal (C).

Après le lancement de Spoutnik en 1957, l’idée d’utiliser des satellites en orbite autour de la Terre comme relais des faisceaux hertziens apparaît naturellement. Une révolution s’amorce en matière de télécommunications : les dernières limites géographiques tombent, le potentiel du satellite dépasse de loin les possibilités offertes par les systèmes terrestres.

Dès lors, de nombreux réseaux de télécommunications spatiales se développent et se spécialisent pour faire face à l’ampleur des besoins.

Technologies d'aujourd'hui

Si de nombreuses améliorations ont été apportées aux premières technologies, les moyens de transmissions câblés et électromagnétiques restent d’actualités. Fils de cuivre, fibres optiques et ondes hertziennes forment des réseaux complémentaires. Le satellite est également devenu un canal d’échanges entre des milliers de stations à travers le monde.

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Le trajet d’une communication téléphonique

Lors d’une liaison téléphonique, le signal électrique est véhiculé de l’appareil jusqu’à un centre de traitement grâce à deux fils de cuivre. Le signal est ensuite orienté, via d’autres centres de traitement, jusqu’au correspondant. Lors du parcours entre les centres de traitement, les signaux électriques sont transportés, selon le type de communication, par de la fibre optique ou des réseaux hertziens, utilisant dans 30% des cas le satellite.

Voir l'animation (Site www.howstuffworks.com)

Les télécommunications ont également profité du développement de l’informatique, permettant de stocker, échanger, traiter et restituer tout type d’informations de manière automatique. Ce changement s’accompagne également de la numérisation du signal, jusque là entièrement analogique.

Jargon

Analogique ou numérique ?
Auparavant, tout appareil téléphonique fonctionnait en transmettant un signal analogique : un courant électrique, dont l’intensité variait proportionnellement et continûment par rapport à la voix. Désormais, la plupart des systèmes téléphoniques sont numériques : le son est prélevé 8 000 fois/s puis codé en binaire (utilisant uniquement les chiffres 0 et 1). Le signal n’est ni proportionnel ni continu.

 Précurseurs de la « toile », les premiers réseaux destinés à échanger des informations sont mis au point à partir de 1970 pour répondre à des besoins militaires. Utilisés par les scientifiques et le monde de l’entreprise, ils se développent et se rassemblent pour former, 10 ans plus tard, un réseau global appelé Interconnecting network, plus connu sous le nom d’Internet.

Fondé sur un protocole unique d’interconnexion (IP), il permet à un ensemble de réseaux locaux de se connecter. Début 2000, on en comptait plusieurs centaines de milliers. Son architecture évolue pour répondre aux demandes croissantes et fournir les différents services que sont la consultation d’information sur des pages « web », la messagerie et le commerce électroniques, les forums de discussion et le transfert de fichiers.

Ces réseaux technologiques évoluent constamment et se combinent pour permettre l’accès à de nombreux services comme la téléphonie mobile, les applications multimédia, la télévision mais également des systèmes de localisation, de collecte de données et de sauvetage.

Les supports de l'information

      Type de support                                  Description                                Exemple d'utilisations             
Fils de cuivreTéléphone fixe (émission et distribution finale)
Fibre optiqueFilament de matière diélectrique (verre, silice) dans lequel se propage la lumièreTransmission d’informations sous forme numérique dans les réseaux haut débit ; distribution finale des services de télévision
Ondes radioélectrique (hertziennes)Rayonnement électromagnétique de fréquence inférieure à celle des ondes optiques (longueur d’onde supérieure à 1 mm). Chaque signal est également caractérisé par une largeur de bande (plage de fréquences) :
Bande L : 1,5/1,6 GHzRadionavigation, services mobiles par satellites
Bande S : 1,8/2,5 GHzServices mobiles par satellite (aéronautique, terrestre, maritime)
Bande C : 4/6 GHzTéléphonie fixe et radiodiffusion
Bande X : 7/ 8 GHzCommunications gouvernementales et militaires cryptées
Bande Ku : 11/14 GHzContenus informatifs importants : diffusion de télévision, applications multimédia (vidéoconférences, fichiers informatiques)
Bande Ka : 20/30 GHzCommunications haut débit civiles
Bande EHF 20/40 GHzCommunications militaires
Bande V : 60 GHzLiaisons intersatellites
Ondes lumineusesLiaisons optiques non guidéesLiaisons inter-satellites
Télécommandes de téléviseurs

Les débuts des télécommunications spatiales

Les premiers satellites de télécommunications sont des satellites passifs : leur mission se résume à réfléchir un signal d’une station terrienne à l’autre. La mise au point des satellites actifs leur permet de recevoir les signaux hertziens, de les amplifier plusieurs milliards de fois et de les ré-émettre vers le sol.

Les premières liaisons satellites entre les Etats-Unis et la France sont ainsi réalisées en 1965.

Le saviez-vous ?

Un ballon en orbite
Le premier satellite expérimental, précurseur des satellites de télécommunications, est lancé le 12 août 1960. Echo 1, satellite américain, est une grosse boule de 30 m de diamètre, gonflée en orbite, et recouverte d’aluminium. Le satellite est passif : il n’est destiné qu’à réfléchir les ondes reçues des stations au sol. Mais le signal ré-émis est très affaibli.

Les premiers satellites sont dits à défilement en orbite basse : proches de la Terre, ils sont en effet faciles à mettre en orbite et à des distances raisonnables pour effectuer des transmissions hertziennes. En raison de leur déplacement par rapport au sol, ils ne permettent les communications que pendant quelques minutes. Pour avoir des liaisons permanentes, différentes possibilités sont utilisées :

  • l’orbite elliptique, fortement allongée, dont l’apogée (40 000 km d’altitude), située à la verticale de la station au sol, fournit une période de couverture intéressante ;
  • les constellations, constituées d’un grand nombre de satellites à défilement, permettent d’avoir une continuité dans les communications et une couverture globale de la Terre ;
  • l’orbite géostationnaire, circulaire, sur laquelle le satellite est fixe par rapport à la Terre est la solution la plus économique et la plus intéressante. A 35 786 km d’altitude, le satellite tourne à la même vitesse que la Terre et sa trace au sol est un point sur l’équateur. 3 satellites géostationnaires, correctement positionnés, suffisent à couvrir l’ensemble de la planète entre +/- 80° de latitude.


La ceinture de Clarke, représentant tous les satellites en orbite géostationnaire. Malgré une circonférence de 264 000 km, cette orbite doit être régulièrement libérée des vieux satellites afin d’éviter la saturation et les interférences.

Aujourd’hui, la plupart des satellites de télécommunications sont géostationnaires. Des constellations de satellites à défilement restent incontournables pour des applications spécifiques comme le GPS (Global Positioning System : positionnement d’utilisateurs terrestres par satellite), nécessitant une couverture en tout point du globe par plusieurs satellites simultanés.

Un relais à 36 000 km d'altitude


Ecorché d'un satellite typique de télécommunications. Crédits : CNES

Un satellite de télécommunications utilise les propriétés de propagation des ondes électromagnétiques pour acheminer l'information.

Elle est véhiculée par des ondes porteuses dans des bandes de fréquence bien définies. Dans la transmission d'information, le satellite peut jouer un rôle passif. Il se comporte alors en simple relais qui amplifie les signaux et transpose les fréquences. Il peut aussi être un noeud d'aiguillage ou adapter la nature des signaux, et jouer de ce fait un rôle plus actif. Les répéteurs sont les composants du satellites assurant ces fonctions.

Les antennes des stations au sol servent aussi bien à l'émission qu'à la réception. Le satellite n'étant qu'un objet minuscule à 36 000 km d'altitude, elles sont constituées d'une source et d'un réflecteur, en général de forme parabolique et doivent être pointées très précisément en direction du satellite.


Antenne de réception. © CNES

Le satellite dispose également d’antennes. Pour limiter la déperdition du signal, l’énergie réceptionnée est concentrée en des faisceaux très fins grâce à des réflecteurs allant jusqu’à quelques mètres de diamètre.

Tout déplacement de l’axe des antennes, au sol comme sur le satellite, peut engendrer une altération du signal. Perturbé par différents éléments extérieurs, le satellite doit, pour conserver le maximum de précision, être doté de systèmes de stabilisation et de pointage et rester en liaison quasi-permanente avec le sol.

Les brouillages et interférence que peut générer l’utilisation des mêmes bandes de fréquences par l’ensemble des systèmes hertziens sur Terre conduisent à éviter l’implantation des stations terriennes dans les zones urbaines, ou à choisir des bandes de fréquences spécifiques pour les systèmes de télécommunications par satellite.


Voir aussi

Approfondir