Fonctionnement

 

                    Un téléphone est un appareil qui permet de transmettre la voix à distance. En effet, il est capable de transformer des ondes mécaniques en courant électrique et peut également réaliser l’opération dans le sens inverse. Il se constitue de deux parties majeures, l’émetteur et le récepteur. L’émetteur est la partie dans laquelle le son (l’onde mécanique) est converti en courant électrique. A l’inverse, le récepteur reproduit le son initial à partir du courant électrique.

Le prototype de Bell

                    Dans le premier prototype de Bell, l’émetteur est un cornet contenant un aimant permanent autour duquel est enroulée une bobine de cuivre. Lorsqu’un son est émis à proximité, l’onde sonore fait vibrer une fine membrane de fer. Cette vibration modifie le champ magnétique de l’aimant. Lorsque la membrane se rapproche, le magnétisme de celui-ci est surexcité. Il revient à son niveau normal lorsque la membrane s’éloigne. Les variations du champ magnétique produisent un courant dans la bobine enroulée autour. Lorsqu’il arrive à l’autre appareil, le courant électrique de la bobine surexcite à son tour le magnétisme de l’aimant ce qui fait vibrer la plaquette de métal de la même manière qu’au départ. La voix est ainsi reproduite.

Vue en coupe du Téléphone Bell
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Vue en coupe du téléphone 

 

                    L’avantage de ce système est qu’il ne nécessite aucune alimentation électrique. De plus, l’émetteur et le récepteur sont identiques. Le système est assimilable à un générateur dont l’énergie de départ est apportée par l’onde sonore. Cependant, la qualité du son qu’il émet est mauvaise. En effet, ce système produit un courant électrique ayant une faible amplitude. Par conséquent, l’intensité sonore est faible et l’on distingue mal les sons. De plus, le signal est facilement parasité. En effet, le principe d’induction à l’origine de son fonctionnement détériore le signal, par exemple lorsque deux fils électriques sont trop proches l’un de l’autre. Cela gêne encore plus la communication.

                    C’est pourquoi, l’émetteur (microphone) et le récepteur sont rapidement séparés et spécialisés.

Les organes du téléphone

L'émetteur

                    Les émetteurs transforment les ondes mécaniques en courant électrique. Le signal électrique émis possède les mêmes caractéristiques que l’onde sonore de départ : amplitude et signal périodique similaires. Il en existe un très grand nombre. Les premiers, appelés transmetteur, utilisent la découverte du comte du Moncel en 1856 : « La pression exercée au point de contact entre deux corps mauvais conducteurs appuyés l’un contre l’autre influe sur l’intensité électrique développée ». Puis, ils sont remplacés par les microphones dont le principe est inventé par David E. Hugues

                    Ainsi, le transmetteur à charbon (microphone bouton) est composé de grenaille de charbon comprimée entre deux électrodes. Lorsque l’on parle devant, le diaphragme, qui est une membrane vibre sous l’effet du son. La pression exercée sur le charbon varie donc, ce qui modifie la résistance du système. Le courant électrique continu qui alimente le microphone est ainsi modulé en un courant alternatif qui correspond à l’onde sonore. Ce système permet une meilleure transmission que le système de Bell. En effet, le courant alternatif obtenu a une plus grande amplitude. La fidélité est donc meilleure. Cependant, le « bruit » causé par l’alimentation du microphone et les interférences provoquées par le charbon représentent d'importantes nuisances.

                   Le microphone, quant à lui, ne possède pas de diaphragme. Il est constitué d’un crayon de charbon taillé en pointe à ses deux extrémités. Il est maintenu de chaque côté dans la cavité d’une électrode, elle aussi en charbon. Lorsque du bruit est émis à proximité, le contact entre le crayon et les électrodes est modifié. Cela entraine une modulation du courant continu qui traverse le système. 

Microphone de HUGHES
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Microphone de Hugues
Le récepteur

                    Lorsque le signal électrique arrive dans le téléphone, il active le récepteur. Le courant alternatif passe dans une bobine métallique. Elle devient donc polarisée et produit un champ magnétique. Cela provoque l’attraction et la répulsion successive d’une membrane métallique, le diaphragme. Ses mouvements reproduisent l’onde sonore de départ.

La bobine d'induction

                    La bobine d’induction est un élément électronique qui permet la séparation du circuit qui alimente le microphone et de celui qui alimente le récepteur. Cela permet d’augmenter la puissance de l’alimentation du récepteur ainsi que d’améliorer la qualité du signal. En effet, le récepteur est moins parasité par le « bruit » causé par le courant d’alimentation du microphone.

La triode

                    La triode est un amplificateur de signal. C’est à dire qu’elle permet d’augmenter l’intensité d’un signal électrique. C’est un tube sous vide composé de trois éléments actifs : la cathode qui est un fil électrique ; une plaque métallique, l’anode qui se trouve autour du filament et, entre les deux, une grille métallique. Lorsque le courant circule, le filament chauffe. Des électrons lui sont arrachés et sont attirés par l’anode. Cela s’appelle l’émission thermo-ionique qui est le principe de la diode. Mais, lorsqu’on applique un courant positif à la grille, plus d’électrons sont arrachés de la cathode. Cependant, étant donné la faible surface de la grille, la plupart des électrons poursuivent leur chemin jusqu’à l’anode. Ce phénomène permet de doubler l’intensité du courant. Ce système permet le câblage téléphonique sur de très grandes distances (2 continents) car il contre très efficacement l’atténuation du signal. 

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Schéma fonctionnel d'une triode

 

Le réseau téléphonique commuté

La numérotation

                     Le Réseau Téléphonique Commuté (RTC) aussi appelé centraux téléphoniques a pour fonction de mettre en relation les abonnés sans qu’ils aient besoin de posséder un poste téléphonique différent pour chacun de leurs éventuels correspondants. Chaque utilisateur possède un numéro différent. Lorsque l’on a composé le numéro de son correspondant, le commutateur effectue les connexions nécessaires pour établir la communication. En France, le système actuel permet de numéroter 300 millions de postes. Le premier chiffre indique l’opérateur (France Télécom). Le second correspond à l’une des cinq zones géographiques de France. Les quatre suivants désignent l’autocommutateur local concerné. Les quatre derniers identifient la ligne de l’abonné à l’intérieur de l’autocommutateur.

 

Afin que le central puisse mettre en relation les deux correspondants, il est nécessaire de lui transmettre, sous la forme d’un code électrique, le numéro de la personne appelée. Les anciens téléphones à cadran rotatifs utilisaient une méthode dite de numérotation décimale ou par impulsion. On dit également par ouverture de boucle. On parle dans ce cas d’une boucle d’un circuit électrique.

                Le système est le suivant. Chaque chiffre de 1 à 9, en finissant par 0, correspond à un certain nombre d’impulsions de courant électrique. Une impulsion pour le chiffre 1, deux pour le chiffre 2 et jusqu’à dix pour le 0. Une impulsion dure 100ms. En effet, la ligne est fermée, le courant circule, pendant 33.3ms et elle est ensuite ouverte pendant 66.7ms. Il faut donc 100ms pour composer le 1, 200 pour le 2 jusqu’à 1s pour le 0. Deux chiffres doivent être séparés par au moins 2s. Cet ancien principe est donc très lent. Or, le but de l’appareil est le gain de temps. Un nouveau système, plus rapide a donc été inventé.

                La numérotation par fréquences vocales ou DTMF (dual tone multi frequency) est un procédé qui génère des sons codés. Il émet entre 300Hz et 3400Hz. Mais si chaque chiffre n’était codé que par une fréquence simple, 1200Hz par exemple, un sifflement ou un son parasite fort pourrait provoquer une erreur de numérotation. Deux fréquences sont donc émises simultanément pour chaque chiffre. En effet, il est très peu probable que deux fréquences dont les valeurs sont premières entre elles soient émises de manière parasite pendant la composition du numéro. Aucune fréquence n’est l’harmonique d’une autre afin d’éviter des problèmes de distorsion ou de génération d’harmoniques. La durée d’enfoncement d’une touche ainsi que l’intervalle de temps entre la composition de deux chiffres ne peuvent être inférieurs à 40ms.

Le réseau

                    Au début, établir ces connexions était le travail des demoiselles du téléphone. Par la suite, le système est devenu de plus en plus automatique, électronique, informatique. Tout le réseau de ces commutateurs, reliés par câbles, fibre optique, faisceau hertzien, satellites, forme le RTC. C’est un réseau mondial qui permet de mettre en relation deux installations terminales, c’est-à-dire deux usagers.

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Demoiselles du téléphone au travail

                    Il existe trois échelles de commutateurs : local (Commutateur à Autonomie d’Acheminement, CAA), régional (Centre de Transit, CT) et international (Centre de Transit International, CTI). Il n’y a que trois CTI en France : Paris, Bagnolet et Reims.

                    Les commutateurs locaux mettent en relation les clients d’une même zone et traitent également les appels d’urgence. Si le correspondant se trouve dans une autre zone, l’appel est transmis au centre de transit qui écoule la communication vers un autre centre puis vers le bon CAA. Entre le client et le CAA, on distingue trois étapes :

  1. Le branchement relie les clients aux points de raccordement. Ces liaisons sont réalisées avec des câbles en cuivre. Une ligne est composée d’une paire de fils. La partie branchement développe le câblage en façade. Généralement, les logements particuliers et les petits immeubles possèdent une paire de fils de cuivre par ligne posée directement sur leur façade, tandis que la plupart des immeubles disposent d’une gaine technique chargée de recevoir les câbles de chaque résident et d’une armoire technique regroupant les connexions. En France, la plupart des câbles sont organisés par regroupement de sept paires de fils de cuivre. Cette structure permet d’optimiser le diamètre des câbles. En fonction de la capacité d’abonnés recherchée, les câbles reproduisent ce type de regroupement par multiples de sept. La connexion n’est pas toujours possible par câble. Par exemple, en zone montagneuse, on utilise la transmission radio. Des équipements émettent et reçoivent les communications par faisceau hertzien : c’est la boucle locale radio.
  2. Puis, la distribution relie plusieurs points de raccordements à un sous-répartiteur. Les câbles utilisés sont de taille moyenne.
  3. La partie transport est la partie qui connecte chaque Sous-Répartiteur à un Répartiteur via un câble de forte capacité. Chaque paire de fils de cuivre correspondant à un client est reliée au répartiteur (jusqu’à une distance de quelques km). Le répartiteur reçoit l'ensemble des lignes d'usager et les répartit sur le central téléphonique. Le répartiteur est donc un dispositif passif de câblage centralisant les lignes de la zone de desserte du Centre à Autonomie d'Acheminement (CAA) et assurant la correspondance entre une ligne et un équipement téléphonique. Les CAA sont capables de mettre eux-mêmes les clients en relation.

 

Le téléphone portable

                    La découverte de l’électromagnétisme et sa mise en évidence à la fin du XIXème siècle ont permis le développement de la télégraphie sans fil, puis de la radio, la télévision mais également du téléphone portable. Son principe de fonctionnement interne est semblable à celui du téléphone fixe. La différence apparaît dans l’émission. En effet, le réseau n’est pas composé de fils électriques mais d’ondes électromagnétiques. Les centraux peuvent donc être ou bien des antennes ou même des satellites géostationnaires ce qui permet de communiquer n’importe où dans le monde depuis n’importe quel endroit.

                    Le réseau téléphonique des téléphones portables dispose d’un petit nombre de fréquences pour ses utilisateurs. Afin de pouvoir répondre à la demande sans cesse croissante des abonnés, le système des cellules hexagonales a été mis en place. Tout le territoire est divisé en petites zones de 1 à 20 km² selon la densité de population qui y est présente. Une partie des fréquences disponibles y est allouée de manière à ce que deux cellules adjacentes n’aient pas de fréquences en commun afin d’éviter les interférences. Le risque est d’autant plus grand que les cellules se superposent les unes les autres de 10 à 15% afin de pouvoir faciliter le passage d’un abonné de l’une à l’autre.

 

 

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Représentation d'un motif élémentaire et d'un réseau de cellules

 

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