TELECOMMUNICATION

4ÈME ANNÉE – OPTION ÉLECTRONIQUE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce manuel a pour objectif de fournir à l’élève une compréhension systémique et approfondie des principes, des technologies et des infrastructures qui régissent la transmission d’information à distance. Le cours aborde la nature des signaux, les techniques de modulation analogiques et numériques qui permettent de les transporter, et l’architecture des systèmes de communication modernes, de la téléphonie à la transmission de données. La finalité est de former un technicien de haut niveau, capable d’analyser une chaîne de télécommunication complète et de comprendre les enjeux technologiques des réseaux qui interconnectent le monde.

2. Compétences Visées

Au terme de cette année de formation, l’élève détiendra la capacité de :

• Analyser un signal dans les domaines temporel et fréquentiel et comprendre la notion de bande passante.
• Expliquer le principe et les caractéristiques des modulations analogiques (AM, FM) et numériques (ASK, FSK, PSK).
• Décrire le schéma fonctionnel d’une chaîne de communication complète, en identifiant le rôle de chaque bloc.
• Comprendre les principes du multiplexage et son importance dans l’optimisation des canaux de transmission.
• Identifier les technologies clés des systèmes de télécommunication modernes, incluant la téléphonie, la fibre optique et les réseaux de données.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est structurée autour du concept de la chaîne de communication. Le cours progresse de l’étude de l’information à transmettre (le signal) aux techniques permettant son transport (modulation, multiplexage) et aux infrastructures qui le supportent (lignes, réseaux). L’approche comparative entre les technologies analogiques et numériques est privilégiée pour mettre en lumière l’évolution et les avantages des systèmes modernes. Des études de cas concrets, comme l’analyse de l’architecture du réseau de téléphonie mobile d’un opérateur en RDC, la planification d’une liaison par faisceau hertzien pour interconnecter deux villes comme Kananga et Mbuji-Mayi, ou la compréhension du déploiement de la fibre optique le long du fleuve Congo, ancrent les concepts théoriques dans la réalité des infrastructures nationales.

PREMIÈRE PARTIE : FONDEMENTS DES SIGNAUX ET DE LA TRANSMISSION 📡

Cette partie initiale établit le socle théorique indispensable à l’étude de toute forme de communication. Avant de transmettre une information, il faut savoir la décrire, la caractériser et comprendre les contraintes de son transport. L’élève y découvrira le langage de l’analyse des signaux, l’architecture universelle de toute chaîne de communication, la nature inévitable du bruit qui dégrade la transmission, et les lois physiques qui régissent la propagation des signaux sur les supports matériels comme les câbles.

CHAPITRE 1 : LE SIGNAL D’INFORMATION ET SON SPECTRE

1.1. Nature des signaux : analogique et numérique

La distinction fondamentale entre un signal analogique, qui varie de manière continue, et un signal numérique, qui ne prend que des valeurs discrètes, est établie. Des exemples concrets (voix, signal de capteur pour l’analogique ; données informatiques pour le numérique) sont analysés.

1.2. Représentation temporelle des signaux

L’élève apprendra à décrire un signal par son évolution en fonction du temps (oscillogramme). Les caractéristiques des signaux périodiques (amplitude, période, fréquence) et non périodiques sont étudiées.

1.3. La décomposition de Fourier et la représentation fréquentielle

Le concept fondamental de la transformée de Fourier est introduit : tout signal peut être vu comme une somme de sinusoïdes pures. La représentation spectrale (amplitude en fonction de la fréquence) est présentée comme un outil d’analyse essentiel.

1.4. La notion de bande passante (largeur de bande)

La bande passante d’un signal est définie comme la plage de fréquences qu’il occupe dans le spectre. L’élève comprendra que cette notion est cruciale car elle détermine la « place » nécessaire dans un canal de communication pour transmettre le signal sans le déformer.

CHAPITRE 2 : LA CHAÎNE DE TÉLÉCOMMUNICATION ET SES BLOCS FONCTIONNELS

2.1. Le schéma bloc universel

Le schéma synoptique de toute chaîne de communication est présenté et analysé. Il comprend la source d’information, le transducteur d’entrée, l’émetteur, le canal de transmission, le récepteur, le transducteur de sortie, et le destinataire.

2.2. Le rôle de l’émetteur

L’émetteur est décrit comme le bloc qui prépare le signal pour la transmission. Ses fonctions principales (codage, modulation, amplification de puissance) sont détaillées.

2.3. Le canal de transmission

Le canal est le milieu physique qui transporte le signal. L’élève apprendra à distinguer les canaux guidés (paire de cuivre, câble coaxial, fibre optique) des canaux non guidés (propagation radio, liaisons infrarouges ou satellitaires). Les phénomènes d’atténuation et de distorsion introduits par le canal sont présentés.

2.4. Le rôle du récepteur

Le récepteur a pour mission d’extraire le signal d’information du signal reçu, souvent très faible et bruité. Ses fonctions clés (amplification à faible bruit, filtrage, démodulation, décodage) sont expliquées.

CHAPITRE 3 : LE BRUIT DANS LES SYSTÈMES DE COMMUNICATION

3.1. Définition et origine du bruit

Le bruit est défini comme tout signal aléatoire et indésirable qui se superpose au signal utile et en dégrade la qualité. Ses origines sont classifiées : bruit d’origine interne (agitation thermique dans les composants) et bruit d’origine externe (parasites industriels, phénomènes atmosphériques).

3.2. Le bruit thermique (bruit de Johnson-Nyquist)

Le bruit thermique, inévitable dans tout composant résistif, est analysé. Sa puissance est proportionnelle à la température et à la bande passante. Ce concept justifie la nécessité d’étages d’entrée à très faible bruit dans les récepteurs.

3.3. Le rapport Signal/Bruit (S/B ou SNR)

Le rapport Signal/Bruit est défini comme le rapport de la puissance du signal utile à la puissance du bruit. L’élève comprendra que le SNR est l’indicateur de qualité le plus important d’une chaîne de communication : plus il est élevé, meilleure est la transmission.

3.4. Le facteur de bruit (Noise Figure – NF)

Le facteur de bruit d’un quadripôle (comme un amplificateur) quantifie la dégradation du rapport signal/bruit qu’il introduit. C’est une caractéristique essentielle des composants et des systèmes de réception, particulièrement critique pour les stations de réception satellite à Nsele.

CHAPITRE 4 : LES LIGNES DE TRANSMISSION ET L’ADAPTATION D’IMPÉDANCE

4.1. Modélisation d’une ligne de transmission

Une ligne de transmission (câble coaxial, paire torsadée) est modélisée par un circuit à constantes réparties (résistance, inductance, capacité et conductance linéiques).

4.2. L’impédance caractéristique

L’impédance caractéristique () est définie comme l’impédance que présenterait une ligne de longueur infinie. L’élève apprendra les valeurs standards (50 Ω, 75 Ω) et comprendra que c’est le paramètre fondamental de la ligne.

4.3. Le phénomène de réflexion et l’adaptation d’impédance

Si une ligne est terminée par une charge d’impédance différente de son impédance caractéristique, une partie du signal est réfléchie vers la source. L’élève découvrira que pour un transfert de puissance maximal et sans réflexion, il est impératif d’assurer l’adaptation d’impédance ().

4.4. Le Taux d’Ondes Stationnaires (TOS ou SWR)

Le TOS (ou SWR en anglais) est la grandeur qui mesure la qualité de l’adaptation d’une charge (comme une antenne) à une ligne. Un TOS de 1:1 indique une adaptation parfaite, tandis qu’un TOS élevé révèle une forte désadaptation et des pertes de puissance.

DEUXIÈME PARTIE : LES TECHNIQUES DE MODULATION ANALOGIQUE 📻

Cette partie se consacre à l’étude des méthodes classiques qui permettent de « greffer » un signal d’information analogique (comme la voix ou la musique) sur une onde porteuse haute fréquence. Les trois grandes techniques de modulation — Amplitude, Fréquence et Phase — sont disséquées, en analysant leur principe, leur spectre, leur mise en œuvre et leurs performances respectives. La compréhension de ces modulations est essentielle car elles sont encore massivement utilisées en radiodiffusion.

CHAPITRE 5 : LA MODULATION D’AMPLITUDE (AM)

5.1. Principe et expression mathématique

Le principe de la modulation d’amplitude, où l’amplitude de la porteuse varie au rythme du signal modulant, est rappelé. L’expression temporelle du signal AM est analysée et la notion d’indice de modulation est définie.

5.2. Représentation spectrale et puissance

Le spectre du signal AM, composé de la porteuse et des deux bandes latérales, est étudié. La répartition de la puissance entre ces composantes est calculée, mettant en évidence le faible rendement énergétique de cette technique.

5.3. Les modulateurs d’amplitude

Des schémas de circuits modulateurs AM sont présentés. L’élève étudiera le principe du modulateur à transistor, qui utilise la non-linéarité du composant pour réaliser le produit entre la porteuse et le signal modulant.

5.4. La démodulation d’amplitude (détection d’enveloppe)

Le circuit de démodulation AM le plus simple, le détecteur d’enveloppe à diode, est analysé. Son fonctionnement, qui consiste à redresser puis à filtrer le signal reçu pour en extraire l’enveloppe, est expliqué.

CHAPITRE 6 : LA MODULATION DE FRÉQUENCE (FM)

6.1. Principe et expression mathématique

En modulation de fréquence, c’est la fréquence instantanée de la porteuse qui varie proportionnellement à l’amplitude du signal modulant. L’expression temporelle du signal FM est présentée, et les notions d’excursion de fréquence et d’indice de modulation sont définies.

6.2. Spectre d’un signal FM

Le spectre d’un signal FM est beaucoup plus complexe que celui d’un signal AM. L’élève découvrira qu’il est composé d’une infinité de raies (décrites par les fonctions de Bessel) et que sa largeur de bande est nettement supérieure à celle de l’AM (règle de Carson).

6.3. Les modulateurs de fréquence

Le principe du modulateur FM direct, qui agit sur la fréquence de l’oscillateur de la porteuse, est expliqué. Un exemple basé sur une diode Varicap est analysé.

6.4. La démodulation de fréquence (discrimination)

Les démodulateurs FM ont pour rôle de convertir une variation de fréquence en une variation d’amplitude. Le principe du discriminateur à circuit accordé et du discriminateur à boucle à verrouillage de phase (PLL), plus performant, est étudié.

CHAPITRE 7 : LA MODULATION DE PHASE (PM)

7.1. Principe et expression mathématique

En modulation de phase, c’est la phase instantanée de la porteuse qui varie proportionnellement à l’amplitude du signal modulant. L’expression temporelle du signal PM est présentée.

7.2. Relation entre la FM et la PM

L’élève découvrira le lien très étroit entre la modulation de fréquence et la modulation de phase. La modulation de fréquence d’un signal est équivalente à la modulation de phase de l’intégrale de ce signal, et vice-versa.

7.3. Production et détection des signaux PM

Grâce à cette relation, les circuits modulateurs et démodulateurs FM peuvent être adaptés pour la PM en ajoutant simplement un intégrateur ou un dérivateur.

7.4. Comparaison des modulations angulaires (FM et PM)

Les avantages et les inconvénients respectifs de la FM et de la PM sont comparés, notamment en termes de sensibilité au bruit et de complexité de mise en œuvre.

CHAPITRE 8 : ÉMETTEURS ET RÉCEPTEURS AM/FM

8.1. Le schéma bloc d’un émetteur AM

Le schéma synoptique d’un émetteur de radiodiffusion AM est analysé, en identifiant les blocs : oscillateur, amplificateur tampon, modulateur, et amplificateur de puissance RF qui attaque l’antenne.

8.2. Le schéma bloc d’un émetteur FM

De manière similaire, le schéma d’un émetteur FM est présenté. Le rôle de l’étage de préaccentuation, qui renforce les hautes fréquences du signal audio pour améliorer le rapport signal/bruit, est expliqué.

8.3. Le récepteur superhétérodyne

L’architecture du récepteur superhétérodyne est rappelée comme étant la structure universelle pour la réception AM et FM. Ses étages clés (tuner, FI, démodulateur) sont identifiés.

8.4. Comparaison des chaînes de réception AM et FM

Les différences spécifiques entre une chaîne de réception AM et une chaîne de réception FM sont mises en évidence : la chaîne FI de la FM est à plus haute fréquence et a une bande passante plus large, le démodulateur est différent, et la chaîne FM inclut un limiteur et un circuit de désaccentuation.

TROISIÈME PARTIE : INTRODUCTION AUX TÉLÉCOMMUNICATIONS NUMÉRIQUES 💻

Cette partie marque le passage des techniques de communication classiques vers le monde moderne de la transmission de données. Elle établit les concepts fondamentaux qui permettent de transformer un signal analogique en une suite de bits, d’utiliser ces bits pour moduler une porteuse, et de partager efficacement un même canal de communication entre plusieurs utilisateurs. La maîtrise de ces notions est la porte d’entrée vers la compréhension de tous les systèmes de communication actuels.

CHAPITRE 9 : L’ÉCHANTILLONNAGE ET LA NUMÉRISATION DU SIGNAL

9.1. Le théorème de l’échantillonnage de Shannon-Nyquist

Le théorème de Shannon est énoncé : pour pouvoir numériser un signal analogique sans perte d’information, la fréquence d’échantillonnage doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence maximale contenue dans le signal.

9.2. La quantification et le codage

Après l’échantillonnage, la quantification consiste à arrondir la valeur de chaque échantillon à un niveau prédéfini parmi un ensemble fini. Le codage est l’étape qui assigne un mot binaire unique à chaque niveau de quantification.

9.3. Le bruit de quantification

L’élève comprendra que la quantification introduit une erreur inévitable, appelée bruit de quantification, qui est d’autant plus faible que le nombre de bits utilisés pour le codage est élevé.

9.4. La modulation par impulsions codées (MIC ou PCM)

Le processus complet (échantillonnage + quantification + codage) est appelé Modulation par Impulsions Codées (PCM en anglais). C’est la méthode de numérisation la plus fondamentale, utilisée en téléphonie et pour l’audio sur CD.

CHAPITRE 10 : LES MODULATIONS NUMÉRIQUES

10.1. Le principe de la modulation numérique

La modulation numérique consiste à utiliser une suite de bits pour faire varier l’un des paramètres (amplitude, fréquence ou phase) d’une onde porteuse sinusoïdale. Chaque état de la porteuse représente un ou plusieurs bits.

10.2. La modulation par déplacement d’amplitude (ASK)

En modulation ASK (Amplitude-Shift Keying), les niveaux logiques 0 et 1 sont représentés par deux amplitudes différentes de la porteuse. Son principe simple est analysé, ainsi que sa sensibilité au bruit.

10.3. La modulation par déplacement de fréquence (FSK)

En modulation FSK (Frequency-Shift Keying), les 0 et les 1 sont représentés par deux fréquences distinctes. Cette technique est plus robuste au bruit que l’ASK. Son utilisation dans les anciens modems est un exemple classique.

10.4. La modulation par déplacement de phase (PSK)

En modulation PSK (Phase-Shift Keying), ce sont les sauts de phase de la porteuse qui codent l’information. La modulation BPSK (2 états de phase) et QPSK (4 états de phase), qui permet de transmettre deux bits par symbole, sont étudiées.

CHAPITRE 11 : LE MULTIPLEXAGE TEMPOREL ET FRÉQUENTIEL (TDM/FDM)

11.1. Le principe du multiplexage

Le multiplexage est un ensemble de techniques qui permettent de partager une même ressource de communication (un câble, une fréquence radio) entre plusieurs utilisateurs. Son importance économique est fondamentale.

11.2. Le multiplexage fréquentiel (FDM)

Le multiplexage par répartition en fréquence (FDM – Frequency-Division Multiplexing) consiste à allouer à chaque utilisateur une bande de fréquence différente à l’intérieur du canal. C’est le principe de la radiodiffusion.

11.3. Le multiplexage temporel (TDM)

Le multiplexage par répartition dans le temps (TDM – Time-Division Multiplexing) alloue à chaque utilisateur le canal entier, mais seulement pendant de courts intervalles de temps (des « time slots »). Ce principe est à la base de la téléphonie numérique et des réseaux mobiles GSM.

11.4. Le multiplexage par code (CDMA)

Le principe du CDMA (Code-Division Multiple Access) est introduit. Tous les utilisateurs partagent la même fréquence en même temps, mais chaque signal est codé avec une séquence unique qui permet au récepteur d’isoler le signal qui lui est destiné. C’est une technologie clé des réseaux de téléphonie mobile de 3ème génération.

Annexes

1. Mémento des Formules de Modulation

Cette section fournirait un formulaire complet récapitulant les expressions temporelles, les spectres, les largeurs de bande et les indices de modulation pour les principales techniques étudiées (AM, FM, PM).

2. Tableau Comparatif des Modulations Numériques

Un tableau synthétique comparerait les performances des modulations ASK, FSK et PSK sur la base de critères clés comme l’efficacité spectrale (nombre de bits/s/Hz), la robustesse au bruit et la complexité des circuits de modulation et de démodulation.

3. Le Diagramme de l’Œil

Ce complément (enrichissement) introduirait le diagramme de l’œil, un outil de visualisation à l’oscilloscope qui permet d’évaluer rapidement la qualité d’un signal numérique transmis (présence de bruit, distorsion, gigue temporelle).

4. Introduction à la Loi de Shannon sur la Capacité d’un Canal

Ce dernier complément présenterait la célèbre formule de Shannon, qui établit la limite théorique absolue du débit binaire maximal que l’on peut transmettre sur un canal de communication, en fonction de sa bande passante et de son rapport signal/bruit. C’est une des lois les plus fondamentales de la théorie de l’information.