Transmission de données

Garantir l’intégrité du signal pour transférer plus de données, rapidement et de manière fiable

Avec l’essor de la détection multisource, de l’internet des objets, de l’Industrie 4.0 et des nouveaux écosystèmes interconnectés, de plus en plus de données doivent être transférées rapidement, de manière fiable et en toute sécurité.

Garantir l’intégrité du signal en répondant aux exigences de fiabilité et de débit des données est essentiel pour les ingénieurs qui conçoivent et interconnectent des applications à forte densité de données reposant sur des flux constants de données précises. Mais surtout, à des débits binaires élevés et sur de longues distances, des effets tels que le bruit, la distorsion, les pertes d’insertion ou de retour et les diaphonies peuvent dégrader les signaux électriques au point de provoquer des erreurs et la défaillance d’un appareil ou d’un système.

 

Pour éviter de tels risques, les performances du connecteur ne sont qu’une partie de l’équation. La qualité et les performances du câble lui-même, l’interface entre le câblage du connecteur et les appareils connectés, ainsi que la qualité de l’émetteur et du récepteur sont d’autres facteurs clés qui déterminent le succès de la transmission des données.

 

Les performances du câblage symétrique sont définies par un ensemble de multiples paramètres. Les plus pertinents sont la perte d’insertion, la perte de retour (réflexion), la paradiaphonie (NEXT) et la télédiaphonie (FEXT).

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signal_degradation_cable_receiver-1

Également appelée atténuation, la perte d’insertion est la quantité d’énergie qu’un signal perd en se déplaçant le long d’une liaison par câble. Cette atténuation est principalement due aux pertes diélectriques et ohmiques. La perte d’insertion d’un câble dépend évidemment de la longueur du câble: plus le câble est long, plus la perte d’insertion est élevée. La perte d’insertion est également causée par tous les points de connexion le long d’une liaison par câble (c’est-à-dire dans les connecteurs et les épissures).

 

Tout comme la perte d’insertion, la perte de retour est un autre paramètre important dans les systèmes en cuivre et en fibre. Plutôt que de mesurer la quantité de perte sur une liaison, la perte de retour mesure la quantité de puissance injectée par la source par rapport à la quantité réfléchie vers la source. En résumé, la perte de retour est la perte de puissance du signal due à la réflexion ou au retour du signal par une discontinuité dans une liaison à fibre optique ou un décalage d’impédance de la ligne de transmission. Ce décalage d’impédance peut survenir à cause d’un appareil inséré dans la ligne ou de la charge de terminaison.

 

La perte de réflexion est le principal mécanisme de perte de signal dans le connecteur, tandis que l’atténuation (perte d’insertion) est le principal mécanisme de perte dans le câble lui-même.

 

Pour optimiser les performances d’une liaison, les pertes de retour et d’insertion doivent être optimisées et incluses dans les calculs du bilan de liaison.

Nos solutions

Ce que nous entendons par « garantir l’intégrité du signal »

Transmission de données à haute vitesse et intégrité du signal

Supports de transmission

Protocoles de données

Sécurité des données

Transmission de données à haute vitesse et intégrité du signal

La conception des interconnexions pour la transmission de données à haute vitesse doit garantir l’intégrité du signal et ainsi supprimer les interférences électromagnétiques et radioélectriques rayonnées externes (EMI/RFI).

 

Pour une transmission réussie des données entre l’émetteur d’un appareil et son récepteur à haute vitesse, les connecteurs et les câbles doivent faire l’objet d’une optimisation croisée. Les principaux paramètres influents à prendre en compte sont: la conception du connecteur, la longueur du câble, les performances du câble (perte) et les processus contrôlés et reproductibles d’assemblage et d’enrobage des câbles au-dessus de 1 Gbit/s.

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La série Fischer MiniMax™ à 9 contacts est un exemple de connecteur spécialement conçu pour réaliser un transfert de données à haute vitesse à l’aide d’un seul protocole (USB 3.2).

Dans leur démarche de conception et de caractérisation, les ingénieurs prêtent donc attention, entre autres, aux paramètres décisifs suivants:

  • Adaptation d’impédance (rapport V/I ou E/H): comme le concept de résistance à basse fréquence, le concept d’impédance à haute fréquence peut être considéré comme le rapport entre le champ électrique et le champ magnétique pour une onde électromagnétique transversale (TEM). Dans le cas d’une liaison de communication, l’impédance de la source, du câble-connecteur et du récepteur doit être la plus proche possible afin d’éviter toute perte de signal par réflexion.
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Connecteur à impédance optimisée. Pour optimiser l’adaptation d’impédance, on tiendra compte de facteurs tels que le diamètre du contact, la distance entre les contacts, le facteur de forme du contact et le type de matériaux de tous les composants. Les figures 1 et 2 montrent les différences entre un connecteur sans et avec une conception optimisée en matière d’adaptation d’impédance.
  • Retard de ligne: latence de la propagation du signal.
  • Perte d’insertion: perte de signal due à une perte diélectrique ou ohmique.
  • Perte de retour: perte de puissance du signal due à la réflexion ou au retour du signal par une discontinuité dans une liaison à fibre optique ou une ligne de transmission.
  • Diaphonie: dans certaines liaisons de communication, il existe des liaisons parallèles qui doivent fonctionner simultanément. Un problème se pose lorsque le champ électromagnétique d’une liaison se couple à un autre champ et provoque des interférences. Deux paramètres bien connus à cet égard sont la paradiaphonie (NEXT) et la télédiaphonie (FEXT).
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Prévention des diaphonies. Pour minimiser les diaphonies, l’emplacement des broches et l’attribution des signaux à la disposition des broches sont essentiels. Les figures 3 et 4 comparent deux diaphonies obtenues par des méthodes différentes d’attribution des signaux dans le même connecteur.
  • Blindage CEM: le blindage de compatibilité électromagnétique (CEM) est un moyen de protéger un signal sensible contre les signaux électromagnétiques externes et d’empêcher les interférences électromagnétiques (EMI) ou les interférences de radiofréquence (RFI) d’avoir un impact sur les systèmes électroniques sensibles et vice versa.

 

Pour assurer de bonnes performances de communication, tous les composants d’une liaison, notamment l’électronique et les câbles-connecteurs, doivent être conformes aux normes applicables, et une procédure de conformité au niveau des composants est fortement recommandée.

 

Notez que dans de nombreux cas, l’application s’écarte de la configuration standard. Dans ces cas-là, vous devez étudier la couche physique complète d’une liaison dans son ensemble: c’est ce que nous appelons les tests au niveau du système. Cela inclut la réalisation de simulations SerDes (sérialiseur / désérialiseur) et le tracé de diagrammes en œil et de courbes de synchronisation BER (taux d’erreur binaire) pour analyser le bilan de gigue.

Supports de transmission

Les supports physiques par lesquels les flux de données sont transmis incluent les fils de cuivre (dont les plus courants sont les paires torsadées et les câbles coaxiaux) et les fibres optiques.

 

Le cuivre est un support couramment utilisé qui permet la transmission de l’énergie et des données dans le même câble, et convient plutôt aux trajets courte distance. Notre gamme de produits de fils de cuivre comprend une grande variété de types de contacts basse tension, haute tension, coaxiaux, triaxiaux et hybrides.

 

Les fibres optiques permettent la transmission sur de plus longues distances et à des bandes passantes plus élevées que les câbles électriques. Les signaux se propagent dans les fibres avec moins d’atténuation que dans les fils métalliques. En outre, les fibres sont insensibles aux interférences électromagnétiques, contrairement à la transmission par cuivre, ce qui représente un avantage considérable pour les applications sensibles à ces interférences.

 

Un des principaux défis de la transmission par fibres optiques concerne le raccordement entre deux fibres. Plusieurs solutions existent, parmi lesquelles:

  • Le raccordement bout à bout disponible dans nos produits de fibre optique: les connecteurs bout à bout procurent des performances optiques élevées car ils ont la capacité de mettre en contact physique très étroit les extrémités spécialement préparées de deux fibres.
  • Les produits à faisceau élargi, qui se composent d’une lentille placée devant la fibre pour collimater la lumière sortant de la fibre et qui tolèrent la poussière, les débris et autres contaminants sur la face d’extrémité de la fibre; toutefois, cette solution entraîne des performances optiques inférieures à la solution de raccordement bout à bout.
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Les pertes d’insertion et de retour peuvent être réduites encore davantage grâce à deux méthodes avancées de polissage des ferrules à l’intérieur des connecteurs bout à bout des fibres optiques:

  • Le polissage UPC (ultra physical contact) avec un fini de surface de fibre plus fin est idéal pour réduire la perte d’insertion, et peut contribuer à réduire la réflexion arrière (perte de retour) jusqu’à -50 dB ou plus.
  • Le polissage APC (angled physical contact) effectué à un angle de 8 degrés est particulièrement adapté aux applications de haute précision qui sont très sensibles à la perte de retour, car il permet à la lumière réfléchie de s’échapper dans la gaine, réduisant ainsi la réflexion arrière jusqu’à -60 dB ou plus.

Les fibres optiques sont disponibles en multimode ou en monomode. La première option s’avère plus adaptée aux applications longue distance, la seconde aux trajets courte distance. En termes de coûts globaux, l’avantage va à la technologie multimode, car elle nécessite des émetteurs et des émetteurs-récepteurs moins coûteux.

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Outre leur capacité à transmettre des volumes massifs de données sur de longues distances, les fibres optiques sont également idéales pour les applications de détection. Comme les propriétés physiques de la lumière dans la fibre peuvent être affectées par la contrainte, la température ou le son, les capteurs à fibre optique recueillent toutes sortes d’informations critiques sur des environnements opérationnels, comme l’industrie pétrolière et gazière. Les technologies utilisées dans la détection par fibre optique sont adaptées tant aux points de mesure locaux qu’aux mesures distribuées le long de la fibre.

Protocoles de données

Les protocoles de données fournissent les valeurs normatives des paramètres de transmission des données (perte d’insertion, perte de retour, diaphonie, bruit) afin de garantir la compatibilité des différents composants d’un système, émetteur, récepteur, câble, connecteur, pour qu’ils puissent bien fonctionner ensemble.

 

Parmi les protocoles typiques, citons Ethernet, USB, SDI, DP et le protocole standard pour la transmission simultanée des signaux audio et vidéo. Le protocole détermine le nombre de contacts pour chaque connecteur, par exemple, 4 contacts pour l’USB 2.0, 9 pour l’USB 3.0, 8 pour l’Ethernet Cat 5e (1 Gbit/s) et 19 pour le protocole standard audio/vidéo. Des règles de conception spécifiques relatives à la configuration des broches du connecteur ainsi que des matériaux spéciaux sont nécessaires pour la fabrication du connecteur et du câble afin de réduire les interférences.

Nos solutions de connectivité hautes performances sont compatibles avec la plupart des protocoles de données: USB 2.0, USB 3.2 Gen 1 et Gen 2 jusqu’à 10 Gbit/s, Ethernet jusqu’à 10 Gbit/s, et le protocole audio/vidéo standard. Nous proposons également des solutions Single Pair Ethernet qui peuvent transmettre des données à des vitesses allant jusqu’à 1 Gbit/s avec ou sans alimentation par ligne de données (PoDL), par exemple pour les applications industrielles robustes et les drones (UAV) de défense et de sécurité.

 

La conception du connecteur et du câble est optimisée en fonction de chaque protocole de données utilisé ou d’une combinaison de protocoles lorsque votre appareil nécessite une transmission de données multi-protocoles à haute vitesse.

Une fois la conception optimisée pour un protocole défini, un prototype physique d’assemblage connecteur-câble doit être testé pour valider la caractérisation complète à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel. Les paramètres S de l’assemblage de câbles sont mesurés et comparés aux valeurs cibles définies dans la spécification du protocole. Si l’un des paramètres n’est pas conforme, une boucle d’itération sera effectuée sur la conception jusqu’à ce que l’assemblage de câbles remplisse toutes les exigences du protocole; à ce moment-là, le produit peut être déclaré « compatible avec le protocole ».

 

Il peut être impossible de mettre en place un système complexe avec un seul protocole. Dans ce cas, la solution est d’utiliser un adaptateur de protocole ou un émetteur-récepteur qui peut transformer un protocole défini en un autre sans dégrader le signal.

Single Pair Ethernet (SPE) décrit la transmission d’Ethernet sur une seule paire de fils de cuivre torsadés. Outre la transmission de données via Ethernet, SPE permet également une alimentation simultanée des terminaux via la technologie PoDL (Power over Data Line). Sans la technologie SPE, deux paires pour Fast Ethernet (100 Mo) et quatre paires pour Gigabit Ethernet sont nécessaires pour atteindre ce résultat. Outre les économies d’espace et de poids réalisées grâce à la réduction du nombre de fils, SPE transmet des données jusqu’à 10 Gbit/s. Associée à des connecteurs miniaturisés, SPE est une technologie de réseau au potentiel révolutionnaire dans l’Internet des objets (IoT), l’IoT industriel (IIoT) et les systèmes de l’Industrie 4.0, permettant aux ingénieurs de concevoir des solutions d’interconnexion haute densité et haute vitesse, faciles à intégrer et à installer.

Sécurité des données

Les problèmes de fiabilité des données ne sont pas tous liés à l’environnement physique. Pour protéger les connecteurs et les câbles contre les risques environnementaux, il faut également les protéger contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences de fréquence radio (RFI). Ces interférences peuvent affecter de nombreux appareils électroniques sensibles et causer bon nombre de problèmes: d’un simple sifflement sur une ligne de communication à l’interruption totale d’un signal essentiel à la sécurité. Le blindage empêche les signaux d’être perturbés par des signaux électromagnétiques externes et empêche les signaux générés d’interférer avec les composants, fils, câbles et capteurs environnants.

 

La compatibilité électromagnétique (CEM) implique qu’un circuit a été conçu avec un blindage qui empêche de telles perturbations. Le blindage CEM désigne toute méthode utilisée pour protéger un signal sensible contre les signaux électromagnétiques externes, ou pour empêcher un signal plus fort de s’échapper et d’interférer avec les composants électroniques environnants. Pour ce faire, on utilise un écran métallique qui absorbe les interférences électromagnétiques transmises par l’air, comme dans une cage de Faraday.

 

Les connecteurs blindés CEM 360° jouent donc un rôle majeur pour garantir l’intégrité des signaux et la transmission sécurisée, fiable et précise des données dans les appareils, équipements et systèmes électroniques utilisés dans des secteurs tels que l’électronique médicale, de défense et aérospatiale, les systèmes de transport en commun, les tests et mesures industriels et les systèmes de navigation et de commande de véhicules.

 

Les options de blindage de câble sont de trois types: tresse, tresse spiralée et feuille. Le blindage consiste en une barrière conductrice entourant les fils isolés à l’intérieur du câble. Il a pour but d’empêcher le bruit émis par d’autres câbles ou appareils électroniques proches et même celui émis par des fils adjacents à l’intérieur d’un câble, comme les diaphonies, de perturber ou d’interrompre les signaux à l’intérieur du câble. Il empêche également les interférences électromagnétiques de se diffuser hors du câble, empêchant ainsi les câbles réseau d’émettre des signaux détectables et discernables.

La sécurité des données dépend aussi fortement de l’encodage et du cryptage des données. Les données sont codées dans le système par l’émetteur du signal et doivent être « comprises » (ou décodées) correctement par le récepteur pour que la transmission des données se fasse correctement. Le cryptage des données garantit que les récepteurs concernés sont autorisés à accéder à ces informations.

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Le CERN utilise la série Fischer Core Brass, blindée à 360° contre les perturbations électromagnétiques, pour répondre aux besoins essentiels en connectivité des outils de mesure, des pompes et des chambres à vide pour les appareils de surveillance et de sécurité. Cette série est parfaite pour éviter les interférences électromagnétiques ou résister à des variations de température extrêmes.

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