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Apport de satellites dans la transmission de données


par Erick KAMUALA MULAJA
Institut Supérieur Technique d'Informatique Appliquée ISTIA - Graduat (Licence) 2022
  

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I.2 ONDE ELECTROMAGNETIQUES

I.2.1 Introduction

L'onde est une perturbation d'un milieu qui se propage, ce milieu peut être élastique, on parlera donc des ondes mécaniques qui ont pour support la matière, le milieu peut être aussi un flux électromagnétique, on parlera des ondes électromagnétiques qui ont pour support l'intersection des champs électrique et magnétique.

En télécommunication, l'onde électromagnétique est le media le plus utilisé pour établir des liaisons radioélectriques à de grandes échelles. Les ondes électromagnétiques sont catégorisées et représentées par le spectre électromagnétique

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

Figure 1.5 Le spectre électromagnétique

I.2.2 Ondes radioélectriques

On parle d'ondes radioélectriques pour désigner les ondes électromagnétiques produites à base d'électricité (radio électricité) pour faire la différence avec celles qui proviennent du soleil, des étoiles, de la température, du réacteur, etc....

En télécommunication la nomination ondes radioélectriques est réservée pour désigner spécifiquement les ondes électromagnétiques dont la fréquence va de 0 Hz à 300 GHz et ces dernières doivent porter une information. Ces sont ces ondes radioélectriques (ondes radio) qui sont utilisés pour établir les liaisons radioélectriques, elles sont aussi appelées faisceaux hertziens.

I.2.2.1 Bande des ondes radioélectriques

L'onde électromagnétique se propage suivant la courbe sinusoïdale, de ce fait elle possède une fréquence qui détermine le nombre de cycle qu'elle effectue en unité de temps mais souvent exprimé en hertz. Cette fréquence est le rapport de la célérité (vitesse lumineuse) et la longueur d'onde, elle est proportionnelle à l'énergie (intensité) de l'onde, donc plus la fréquence augmente plus l'onde est énergétique.

F= (1.2)

· F : fréquence en hertz (HZ)

· C : célérité qui vaut 3.108m/s2

· ë : longueur d'ondes en mètre (m)

Ep= h*f (1.3)

· Ep : Energie d'onde ou du photon

· h : constante de Planck qui vaut : 6,62607015. 1034 m2kg/s

· f : fréquence en hertz (Hz)

Les ondes radio sont partagées selon leurs propriétés similaires par rapport à leurs fréquences. Elles se classent donc en plage appelé « bande de fréquence » qui représente un spectre avec les différentes propriétés. L'autorité de régulation a règlementé l'usage de ces fréquences pour toutes les applications de la radio transmission. Le tableau ci-dessous présente les bandes de fréquence radio et leurs applications.

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

 
 
 

Tableau 1.1 : Table des bandes de fréquence radioélectriques

Fréquence

Longueur d'onde

Désignation métrique

Portée

Désignation courante

Abréviation

Utilisations

De 0KHZ à 30KHZ

100 Km à 10 Km

Onde

Myriametriques

1500Km

Très basse

fréquence

VLF

Maritime

De 30

KHZ à 300 KHZ

10 Km à 1 Km

Ondes

kilométriques

500Km

Basse fréquence

LF

Maritime, militaire

De 300

KHZ à 3 MHZ

1Km à

100 m

Ondes

hectométriques

1500Km

Fréquence moyenne

M.F

Maritime

radiodiffusion

De 3 MHZ à 30 MHZ

100 m à 10 m

Ondes

décamétriques

le

monde entier

Haute fréquence

HF

Dans tous les

domaines

De 30

MHZ à

300 MHZ

10m à 1m

Ondes métriques

Au-delà de

l'horizon

Très haute

fréquence

VHF

Radiotélévision,

station mobile,
hyper fréquence à faible capacité

De 300

MHZ à 3 GHZ

1m à 10 cm

Ondes

décimétriques

Au-delà de

l'horizon

Ultra haute fréquence

UHF

Radio diffusion en

FM/TV, station
mobile

De 3 GHZ à 30 GHZ

10cm à 1 cm

Ondes

centimétriques

Au-delà de

l'horizon

Super hyper fréquence

SHF

Radar,

télécommunication par satellite

De 30GHZ à 300 GHZ

1cm à

1mm

Ondes

millimétriques

Au-delà de

l'horizon

Extrême haute fréquence

EHF

Radar, télécommunication par satellite, hyper fréquence à grande capacité

 

I.3 TECHNIQUES DE TRANSMISSION

Lors de la transmission de données par ondes, ils se présentent deux contraintes majeures, celle de la distance qui sépare la source et la destination et celle liée aux besoins de répondre à plusieurs liaisons quand il n'y a qu'un seul poste ETCD. Ainsi il a été développé deux techniques pour y remédier.

CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

I.3.1 La modulation

La modulation du signal est une opération de traitement du signal qui permet de l'adapter à un canal de communication ; on distingue trois types de modulation qui sont :

· Modulation de fréquence : transmission d'un signal par modulation de la fréquence.

· Modulation d'amplitude : variation de l'amplitude d'un signal.

· Modulation de phase : modulation non linéaire d'un signal.

En télécommunications, le signal transportant une information doit passer par un moyen de transmission entre un émetteur et un récepteur. Le signal est rarement adapté à la transmission directe par le canal de communication choisi, hertzien, filaire, ou optique.

La modulation peut être définie comme le processus par lequel le signal est transformé de sa forme originale en une forme adaptée au canal de transmission, par exemple en faisant varier les paramètres d'amplitude et d'argument (phase/fréquence) d'une onde sinusoïdale appelée porteuse. Le dispositif qui effectue cette modulation, en général électronique, est un modulateur. L'opération inverse permettant d'extraire le signal de la porteuse est la démodulation. Un modem est un ensemble modulateur et démodulateur combiné permettant une liaison bidirectionnelle.

I.3.1.1 Buts de la modulation :

La modulation et la démodulation sont deux étapes dans la communication d'une information entre deux utilisateurs. Par exemple, pour faire communiquer deux utilisateurs des courriels par une ligne téléphonique, des logiciels, un ordinateur, des protocoles, un modulateur et un démodulateur sont nécessaires. La ligne téléphonique est le canal de transmission, sa bande passante est réduite, elle est affectée d'atténuation et de distorsions. La modulation convertit les informations binaires issues des protocoles et des logiciels, en tension et courant dans la ligne. Le type de modulation employé doit être adapté d'une part au signal (dans le cas numérique), aux performances demandées (taux d'erreur), et aux caractéristiques de la ligne.

· La modulation permet donc de translater le spectre du message dans un domaine de fréquences qui est plus adapté au moyen de propagation et d'assurer après démodulation la qualité requise par les autres couches du système.

· L'objectif des modulations analogiques est d'assurer la qualité suffisante de transmission d'une information analogique (voix, musique, image) dans les limites du canal utilisé et de l'application.

· L'objectif des modulations numériques est d'assurer un débit maximum de données binaires, avec un taux d'erreur acceptable par les protocoles et correcteurs en amont et en aval. Dans l'empilement des protocoles OSI (architecture standard des télécommunications numériques), la modulation est l'élément principal de la couche physique.

? Exemples :

o La première modulation fut la coupure d'amplitude par tout-ou-rien, inventée par Samuel Morse pour les liaisons télégraphiques filaires, mais de même que la transmission directe de la voix par un fil téléphonique, ce ne sont pas à proprement parler des modulations puisque le courant dans le

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

fil est simplement l'image de la sortie du microphone ou du manipulateur.

o A la découverte des ondes radio, la modulation d'amplitude de l'onde porteuse fut le premier système utilisé, soit en radiotélégraphie (CW), soit en radiotéléphonie (AM). Les premières transmissions de télévision étaient également en AM, complétées ensuite par des méthodes de réduction de bande (réduction d'une bande latérale) puis par l'adjonction d'une sous-porteuse de transmission de la couleur.

o Les émissions de la bande « FM » utilisent la modulation de fréquence pour la voie monophonique et une sous-porteuse pour la transmission du son stéréophonique et des données « RDS ».

o Les modems des réseaux domestiques ou professionnels combinent des modulations analogiques et numériques d'une sous-porteuse pour acheminer les données.

I.3.1.2 Systèmes de modulation

Quand plusieurs informations ou signaux indépendants passent dans un même canal, en utilisant diverses modulations ou sous-porteuses, on parle de « système de modulation ». Ainsi en télévision analogique, le son est transmis par la modulation d'amplitude d'une première porteuse, l'image par modulation d'amplitude à bande latérale réduite sur une porteuse principale, et la composante couleur par modulation de fréquence ou de phase d'une sous-porteuse. On parlera alors de système PAL ou SECAM.

I.3.1.2.1 Le multiplexage

Le processus de modulation peut inclure des transmissions multiplexées à travers un moyen de propagation commun, c'est-à-dire des transmissions simultanées de messages différents ayant des spectres disjoints durant la propagation. Un de types de multiplexage est le multiplexage par division de fréquence, processus dans lequel chaque message module une porteuse haute-fréquence, et toutes les porteuses sont transmises simultanément à travers le même médium. Un exemple de multiplex est la transmission de télévision analogique satellitaire : chaque canal est modulé en fréquence par le signal vidéo, celui-ci contenant à la fois une sous-porteuse du système couleur (PAL ou SECAM en Europe) et un multiplex des sous-porteuses des divers programmes de son TV et radios.

I.3.1.2.2 La codification

Les sigles internationaux tels qu'utilisés dans les normes et agences des fréquences sont utilisés dans ce qui suit. Certains sigles français équivalents existent et sont indiqués. En modulation analogique, la modulation est appliquée à la porteuse ou aux sous-porteuses proportionnellement au signal à transmettre, en modifiant l'amplitude ou l'argument de l'onde sinusoïdale.

I.3.1.2.3 Modulations d'amplitude

La modulation d'amplitude consiste à faire varier l'amplitude d'un signal de fréquence élevée, le signal porteur, en fonction d'un signal de plus basse fréquence, le signal modulant. Ce dernier est celui qui contient l'information à transmettre (voix, par exemple, recueillie par un microphone). Pour la modulation d'amplitude, il s'agit donc de faire varier l'amplitude de la porteuse

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

en fonction du signal modulant, sans que cette variation dépasse l'amplitude de la porteuse avant modulation

a) Modulation d'amplitude à deux bandes latérales (AM) :

La modulation d'amplitude issue directement de la multiplication de l'onde porteuse par le signal (Double Side Band) est constituée spectralement de la porteuse (de fréquence fC), encadrée par deux bandes latérales (fC-fM, fC+fM) reproduisant le spectre décalé du signal. C'est la modulation la plus simple, utilisée couramment en radiodiffusion GO, PO et OC ;

Pour augmenter l'efficacité en puissance de l'émission, la porteuse peut être éliminée grâce à un modulateur équilibré, c'est la DSB-SC (suppressed carrier double sideband), modulation d'amplitude à porteuse supprimée, peu utilisée sauf en multiplex de deux bandes latérales indépendantes; la DSB-SC ne permet pas de restituer la phase du signal, il faut une porteuse résiduelle pour restituer exactement la porteuse à la démodulation : c'est le but de la DSB-RC (reduced carrier double sideband), modulation d'amplitude à porteuse réduite.

b) Modulation d'amplitude à bande latérale unique (BLU) :

La modulation à bande latérale unique (BLU ou SSB) correspond à une modulation d'amplitude dont seule une bande latérale, supérieure ou inférieure est conservée, elle est appelée BLS (USB) ou BLI (LSB) selon la bande transmise. La BLU est utilisée en radiotéléphonie HF et VHF et en modulation de multiplexes hertziens;

Pour permettre la restitution de phase du signal, une porteuse résiduelle est ajoutée en SSB-RC (bande latérale unique à porteuse réduite); en modulation à bande latérale réduite (VSB) une des bandes latérales est tronquée pour réduire l'occupation spectrale, tout en permettant la transmission de la composante continue du signal : c'est la modulation utilisée en télévision hertzienne (terrestre).

Figure 1.6 La modulation d'amplitude

I.3.1.2.4 Modulations angulaires (ou d'argument)

Les modulations de fréquence et de phase modifient l'argument (ou angle) de l'onde sinusoïdale. L'onde résultante garde une amplitude constante, permettant d'utiliser des

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

amplificateurs non linéaires et diminuant l'influence des perturbations additives (bruit impulsions et interférences).

I.3.1.2.5 Modulation de fréquence (FM)

La modulation de fréquence (FM) permet de restituer la composante continue du signal, elle est utilisée en radiodiffusion haute fidélité (bande FM), en diffusion de télévision par satellite, et en transmission analogique d'images (radio-fac-similé, SSTV).

Figure 1.7 La modulation de fréquence

I.3.1.2.6 Modulation de phase (PM)

La modulation de phase ou PM (Phase modulation en anglais) est un mode de modulation consistant à transmettre une information (son, données...) par la modulation de la phase d'un signal porteur (porteuse). Cette modulation est non linéaire. La modulation de phase (PM) est utilisée en radiotéléphonie VHF et UHF. Une modulation de phase précédée d'un filtrage étant équivalente à une modulation de fréquence, c'est aussi une autre façon de moduler en fréquence en radiotéléphonie.

Figure 1.8 La modulation de phase

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CHAPITRE I

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I.3.1.2.7 Modulations analogiques multiples

De nombreux schémas complexes combinant des modulations analogiques ont été développés pour des besoins précis. Ainsi la modulation analogique de deux porteuses en quadrature est utilisée pour la transmission des composantes de couleur sur la sous-porteuse du système PAL, ou la modulation simultanée en phase et amplitude dans le système NTSC.

I.3.1.2.8 Modulations numériques

En modulation numérique, les paramètres de la porteuse, amplitude ou angle (argument), sont commutés entre plusieurs valeurs discrètes selon les codes binaires à transmettre.

I.3.1.2.9 Modulations élémentaires

La modulation en tout-ou-rien (OOK : On Off Keying) avec des durées variables est celle qui est utilisée en télégraphie (code Morse). Elle est aussi appelée pour des raisons historiques CW. Elle est particulièrement adaptée à la reconnaissance auditive par un opérateur. Dans le cas où cette modulation est effectuée à la main, on parle aussi de manipulation.

? En modulation par déplacement d'amplitude (ASK ou Amplitude-shift keying), l'amplitude est commutée entre plusieurs valeurs discrètes.

? En modulation par déplacement de fréquence (FSK ou Frequency-shift keying) et en Phase-shift keying (PSK) ce sont respectivement la fréquence et la phase qui sont commutées.

? En APK (ou QAM), la phase et l'amplitude prennent différentes valeurs discrètes.

Selon le nombre de niveaux possibles, on ajoutera un chiffre devant le code : ainsi un 8xPSK correspond à la commutation entre 8 valeurs de phase, permettant de transmettre des mots de 3 bits (8 valeurs) à chaque temps de commutation.

Figure 1.9 La modulation numérique

I.3.1.2.10 Modulations complexes

Des combinaisons plus complexes sont utilisées pour optimiser le débit vis-à-vis de la bande passante. Ainsi, la combinaison de deux modulations d'amplitude et de phase simultanément sur une même porteuse permet de doubler le débit binaire. Les appellations sont complexes et nombreuses combinant un chiffre définissant le nombre d'états possibles et les lettres des

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

modulations individuelles utilisées. Par exemple le 8xQPSK comporte 8 états et permet de transmettre 3 bits simultanés par modulation de deux porteuses en quadrature.

Des cas particuliers sont fréquemment utilisés pour obtenir certains avantages précis : ainsi le MSK ou Minimum Shift Keying est une modulation numérique de fréquence d'indice de modulation précis et de largeur spectrale minimale. Si une sous-porteuse est modulée puis module ensuite une porteuse, les appellations se compliquent encore : ainsi AFSK est une modulation de fréquence d'une sous-porteuse. Une modulation AFSK-PM combine la modulation de phase d'une porteuse par une sous-porteuse modulée en fréquence.

Un autre type de modulation complexe est l'OFDMA, utilisée dans les dernières générations de réseaux mobile, qui combine le multiplexage en fréquence (milliers de sous-porteuses orthogonales), le multiplexage temporel, et la modulation indépendante de chaque sous porteuse en QPSK ou en QAM ou MF (FM en anglais) est un mode de modulation consistant à transmettre un signal par la modulation de la fréquence d'un signal porteur (porteuse).

On parle de modulation de fréquence par opposition à la modulation d'amplitude. En modulation de fréquence, l'information est portée par une modification de la fréquence de la porteuse, et non par une variation d'amplitude. La modulation de fréquence est plus robuste que la modulation d'amplitude pour transmettre un message dans des conditions difficiles (atténuation et bruit importants). Pour des signaux numériques, on utilise une variante appelée modulation par déplacement de fréquence, ou, en anglais, Frequency-Shift Keying (FSK). La FSK utilise un nombre limité de fréquences discrètes. La modulation d'amplitude ou MA (AM en anglais) est une technique utilisée pour moduler un signal. Elle consiste en la multiplication du signal à moduler par un signal de fréquence plus élevée.

I.3.2 Multiplexage

I.3.2.1 Multiplexage temporel

Le multiplexage temporel (en anglais, TDM, Time-Division Multiplexing) est une technique de multiplexage numérique (ou plus rarement analogique) permettant à un ou plusieurs émetteurs de transmettre plusieurs canaux numériques élémentaires à bas ou moyen débit (voix, données, vidéo) sur un même support de communication à plus haut débit en entrelaçant dans le temps des échantillons de chacun de ces canaux. C'est une répartition du temps d'utilisation de la totalité de la bande passante entre les différentes communications.

Ce multiplexage permet, entre autres, de faire passer des flux synchrones ou asynchrones sur une liaison synchrone. Les paquets n'arrivant pas nécessairement dans l'ordre d'émission selon les chemins empruntés, le rôle du démultiplexeur est alors de les réordonner et de séparer les flux des différents canaux de manière à restituer l'information telle qu'elle était avant son transport sur le réseau multiplexé. L'entrelacement peut se faire au niveau du bit ou sur un ensemble de bits émis dans des intervalles de temps prédéfinis (en anglais Time Slot ; TS)

Dans le cas du multiplexage temporel, le multiplexeur fonctionne comme un commutateur, chaque signal est commuté à tour de rôle à grande fréquence, une synchronisation de fréquence et de phase étant assurée de part et d'autre pour que chaque signal soit restauré où et comme il le faut. En acquisition numérique, il est utilisé notamment pour pouvoir utiliser un convertisseur analogique/numérique ou numérique/analogique avec plusieurs entrées et sorties en simultané.

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CHAPITRE I

GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

Le multiplexage est également utilisé par les transmissions modernes en informatique (USB, IEEE 1394, SSA, Serial ATA ...) et dans la transmission de chaînes de télévision numérique (Bouquet numérique de télédiffusion, Télévision numérique terrestre).

Figure 1.10 Le Multiplexeur et démultiplexeur

I.3.2.2 Multiplexage fréquentiel

Le multiplexage fréquentiel est aussi appelé MRF (« Multiplexage par répartition de fréquence » ou FDM, de l'anglais Frequency Division Multiplexing) ; il permet de partager la bande de fréquence sur une voie haute vitesse en une série de plusieurs canaux moins larges, qui permettent de faire circuler simultanément sur la voie haute vitesse les données provenant des différentes voies à plus basses vitesses. C'est la technique utilisée en ADSL pour éviter toute collision entre le signal montant et le signal descendant.

Sur les réseaux téléphonique analogiques, FDM permet de multiplexer jusqu'à 600 communications téléphoniques sur un même câble. Pour éviter les interférences entre chacune des voies, qui engendreraient des altérations de signal, il faut ménager des bandes de garde entre les différentes fréquences porteuses. En conséquence on utilise plutôt le multiplexage OFDM lorsque l'Efficacité spectrale est recherchée.

Cette technique alloue des fractions de la bande passante à chaque communication. Le multiplexage fréquentiel ne répartit pas les signaux dans le temps, mais dans un espace de fréquences. Bien que plus abstrait dans son principe, c'est lui qui a été inventé en premier.

Il consiste à faire passer plusieurs informations en simultané en jouant sur la longueur d'onde de la lumière ou de l'onde radio émise. Il s'agit donc là aussi d'un multiplexage spatial. Plus simplement, on émet sur plusieurs bandes de fréquences, ou on envoie plusieurs couleurs simultanément sur un seul brin optique (WDM). Cela a notamment permis d'augmenter la capacité de transmission des fibres optiques sans surcoût très important.

I.3.2.3 Multiplexage statistique

Le multiplexage statistique est fondé sur le multiplexage temporel, on n'attribue la voie haute vitesse qu'aux voies basse vitesse qui ont effectivement quelque chose à transmettre.

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GENERALITES SUR LA TRANSMISSION DE DONNEES

I.3.2.4 Usages en télécommunication

Le multiplexage a été utilisé par France Telecom/Orange, pour transporter plusieurs lignes sur une même ligne téléphonique. Les lignes multiplexées ne sont pas éligibles à l'ADSL tant qu'elles n'ont pas été démultiplexées. France Telecom était tenue d'offrir à ses abonnés un service téléphonique, mais n'est pas tenue d'offrir des lignes démultiplexées. Le démultiplexage nécessiterait la pose de nombreux kilomètres de lignes téléphoniques coûteuses pour l'opérateur qui les installerait, par exemple France Telecom. De ce fait, trois pour cent de la population française n'avait pas accès à l'ADSL en 2012 et devait se tourner vers d'autres solutions comme le satellite.

On peut résoudre ce problème dû au multiplexage en installant un équipement qui efface les zones blanches de l'ADSL.

I.3.2.5 Autres usages

Le multiplexage temporel a commencé à être utilisé dans les avions, pour que chaque passager puisse commander sa propre lampe sans qu'on relie chaque interrupteur de chaque passager à chaque commutateur de lampe. C'est ce multiplexage qui introduit souvent un petit délai entre le moment où on presse l'interrupteur et celui où la lampe s'allume (cela aurait été instantané si le commutateur avait été sur l'ampoule au lieu d'être dans le bras du fauteuil, mais aurait obligé le passager à lever le bras).

Le multiplexage électronique temporel est utilisé couramment aussi dans l'industrie automobile. Il consiste à faire passer un signal multiplexé par un fil, et l'alimentation électrique par un autre fil. Un démultiplexeur à l'autre extrémité se charge de rediviser le signal en autant de signaux indépendants. On utilise notamment le multiplexage pour la commande de tous les feux arrière par seulement ces deux fils. L'un des inconvénients de cette technique est que la perte de l'un des deux fils entraîne la panne de l'ensemble des feux arrière.

Dans les réseaux de téléphonie mobile, pour partager une bande de fréquence entre de nombreux utilisateurs, on utilise les trois types de multiplexage : le multiplexage fréquentiel (AMRF), le multiplexage temporel (AMRT) et le multiplexage par code (AMRC). Le multiplexage fréquentiel, alias spatial, était déjà utilisé en téléphonie analogique. La norme GSM utilise le multiplexage fréquentiel et temporel. L'UMTS recourt au multiplexage par code ; le LTE et le LTE Advanced (réseaux mobiles 4G) utilisent une combinaison sophistiquée de ces 3 techniques : l'OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).

Le multiplexage est aussi utilisé dans le domaine du spectacle. Notamment dans l'éclairage où il est utilisé pour la transmission de données via un câble DMX.

Dans le bâtiment le multiplexage peut être utilisé pour toutes les fonctions du logement : éclairage, volets roulants, chauffage, climatisation, visualisation des consommations, alarme intrusion, alarmes techniques, portiers audio ou vidéo, diffusion sonore ... peuvent être automatisées séparément ou en scenario. Elles sont pilotées localement ou à distance. Le principe du multiplexage dans le logement ou le bureau est de séparer le circuit en courant faible (12 volts) des commandes par Bus, du circuit en courant fort (230 volts) des actions nécessitant la puissance. Les Bus sont ceux utilisés dans la bureautique ou l'industrie : RS-485, Ethernet, OneWire, etc. Conforme aux normes en vigueur, Câblage NF C 15-100, Carte CE.

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"Les esprits médiocres condamnent d'ordinaire tout ce qui passe leur portée"   François de la Rochefoucauld