FDM (Frequency Division Multiplexing) est une technique de multiplexage par répartition de fréquence (MRF). Elle est utilisée pour accroître les débits sur paires torsadées et plus particulièrement des lignes téléphoniques.

Le multiplexage fréquentiel consiste à partager la bande de fréquence disponible en un certain nombre de canaux ou sous-bandes plus étroits et à affecter en permanence chacun de ces canaux à un utilisateur ou à un usage exclusif. [Tan97]

L’organisation du groupe primaire ou groupe de base utilisé en téléphonie est basé sur un multiplexage fréquentiel. Ce dernier consiste à regrouper 12 voix téléphoniques de 4000 Hz chacune (3000 Hz utilisables plus 2 espaces inter-bandes de 500 Hz) ce qui donne une largeur de bande de 48 kHz répartie entre 60 et 108 kHz. [Tan97]

Exemple de multiplexage fréquentiel de trois canaux téléphoniques [Tan97]

On trouve également un bon exemple de l’utilisation de FDM avec ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line). ADSL est né de l’observation qu’une ligne téléphonique possède une bande passante d’environ 1 Mhz dans laquelle seule, une largeur de bande de 4 Khz est utilisée pour les communications téléphoniques. Il reste donc une bande passante importante disponible pour un autre usage. C’est un multiplexage en fréquence qui va permettre son utilisation :

Multiplexage des fréquences en ADSL [Int8]

Une bande de 4 kHz est réservée pour la téléphonie classique (POTS : Plain Old Telephone Service)

Une bande est réservée pour le flux de données usager vers réseau. (Upstream Data : Voie montante).

Une bande est réservée pour le flux de données réseau vers usager. (Dowstream Data : Voie descendante)

L’ensemble de la bande passante s’étend sur 1,1 MHz.

Le canal dédié au téléphone est séparé des canaux dédiés aux données par un filtre passe-bas (Splitter) passif. Le filtre envoie également l’intégralité du signal au modem ADSL (ATU-R : ADSL transceiver unit-remote). Celui-ci est doté d’un filtre passe-haut qui élimine le canal dédié au téléphone. Le signal est ensuite traité par la technologie DMT pour être transmis à l’équipement informatique via une liaison de type Ethernet 10BaseT ou ATM25.

Séparation du téléphone et des données chez l’usager en ADSL [Int8]

Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing) ou MRT (Multiplexage à répartition dans le temps) consiste à affecter à un utilisateur unique la totalité de la bande passante pendant un court instant et à tour de rôle pour chaque utilisateur.

Schéma de principe d’un multiplexage à répartition dans le temps [Int6]

Le multiplexage TDM permet de regrouper plusieurs canaux de communications à bas débits sur un seul canal à débit plus élevé.

On retrouve ce type d’utilisation sur les canaux T1 aux Etats-Unis qui regroupent par multiplexage temporel 24 voies à 64 kbit/s en une voie à 1,544 Mbit/s ou sur les canaux E1 en Europe qui regroupent 30 voies analogiques en une voie à 2,048 Mbit/s.

Les canaux T1 ou E1 peuvent être multiplexés entre eux pour former des canaux à plus hauts débits, etc. Cette hiérarchie des débits est appelée hiérarchie numérique plésiochrone ou PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Multiplexage temporel dans la hiérarchie PDH en Europe [Tan97]

Cette technique présente toutefois un inconvénient dans le cas de PDH. L’accès ou l’insertion d’une information dans un canal E4 oblige à démultiplexer l’ensemble du train numérique.

De même les technologies SONET (Synchronous Optical NETwork) et SDH (Synchronous Digital Hierarchy) utilisées comme techniques de transport dans les réseaux téléphoniques des grands opérateurs pratiquent un multiplexage temporel pour assembler plusieurs lignes en une seule ligne de débit supérieur.

Le multiplexage TDM peut être utilisé indifféremment sur paire torsadée ou fibre optique, il est indépendant du média de transmission.

A l’inverse de la technologie TDM qui n’utilise qu’une seule longueur d’onde par fibre optique, la technologie WDM (Wavelength Division Multiplexing) met en œuvre un multiplexage de longueurs d’onde. L’idée est d’injecter simultanément dans une fibre optique plusieurs trains de signaux numériques sur des longueurs d’ondes distinctes.

La fibre optique se prête bien à ce type d’usage car sa bande passante est très élevée : de l’ordre de 25 000 GHz. Elle présente donc un fort potentiel au multiplexage de très nombreux canaux sur de longues distances. [Tan97]

La norme ITU-T G692 définit la plage de longueurs d’ondes dans la fenêtre de transmission de 1530 à 1565 nm. L’espacement normalisé entre deux longueurs d’ondes est de 1,6 ou 0,8 nm. La fibre optique utilisée est de type monomode.

Peigne des fréquences en DWDM [Int6]

La technologie WDM est dite DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) lorsque l’espacement utilisé est égal ou inférieur à 0,8 nm [Int4] ou lorsque plus de 16 canaux sont utilisés [Tan99]. Des tests ont déjà été effectués avec des espacements de 0,4 et 0,2 nm.

L’utilisation d’une fibre peut-être unidirectionnelle ou bidirectionnelle.

DWDM unidirectionnel et bidirectionnel [Int6]

Les systèmes commercialisés aujourd’hui proposent 4, 8, 16, 32 et même 80 canaux optiques à 2,5 Gbit/s par canal. Les débit atteints avec de tels systèmes sont de 10, 20, 40, 80 et même 200 Gbit/s. Un système à 16 canaux de 2,5 Gbit/s, soit 40 Gbit/s permet l’acheminement de 500 000 conversations téléphoniques simultanément sur une seule paire de fibre optique. [Int4]. Il faut également s’attendre à un accroissement du débit offert sur chaque canal qui pourrait rapidement atteindre 10 Gbit/s. [Pra99]

Principe d’une liaison WDM/DWDM [Int4]

Un des éléments clefs est l’amplificateur à fibre dopée erbium, EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). Il compense les pertes d’insertion dues aux multiplexage/démultiplexage des longueurs d’onde. Il permet également une réduction du bruit. Ce type de technologie nécessite des amplificateurs tous les 50 à 100 km. Ceci est dû à des phénomènes non linéaires qui se développent lors de la propagation du signal dans la fibre et qui introduisent des risques de diaphonie et de mélange des canaux.

Les travaux récents du C.N.E.T (Centre National d’Etudes en Télécommunications) sur la transmission soliton montrent que l’on peut repousser cette limite à 1000 kilomètres. Un soliton est une onde qui se propage sans déformation remarquable de sa forme ni variation de sa vitesse. Ce phénomène a été remarqué pour la première fois sous la forme d’une vague dans un canal, mais il existe dans de nombreux domaines, dont la lumière.

Chaque train de signaux numériques est véhiculé sur sa propre longueur d’onde comme sur une seule fibre. Ils peuvent dont être de débits et de formats différents.

Indépendance des débits et formats de chaque canaux en WDM [Int6]

On peut trouver par exemple sur une même fibre optique et véhiculés simultanément de la voix dans des trames SDH, de la vidéo dans des cellules ATM, des données dans des trames IP, etc. WDM est une technologie de transport indépendante des protocoles utilisés. Elle est donc capable de multiplexer sur une fibre optique ce que l’on sait faire transiter unitairement sur ce type média.

                                                                                     Source : [Int4]

Chaque canal peut être attribué à un usage particulier. Il est ainsi possible dans le cas d’un réseau métropolitain ayant une architecture physique en anneau de déployer à travers différents canaux des structures logiques maillées, en bus, point à point, en anneau ou en diffusion. L’attribution d’une longueur d’onde pour une utilisation donnée se fait par reconfiguration logicielle du système et ne nécessite aucune modification matérielle.

Les enjeux de cette technologie sont importants. Jusqu'à présent le développement des réseaux de télécommunications était basé sur l’utilisation des technologies de type SONET/SDH/TDM. Mais les besoins en bande passante ont dépassé les prévisions. Le câble transatlantique Gemini a ainsi saturé dès 1997, alors que cela n’aurait pas dû se passer avant 2001. Les opérateurs installent en moyenne des réseaux de 12, 24 voire 48 paires de fibres. La technologie DWDM va permettre de multiplier par au moins 16 la bande passante disponible sur ces réseaux. [Del99]

Il faut noter que d’autres composants sont essentiels au développement des réseaux optiques pour qu’ils deviennent " tout optique ", il s’agit des multiplexeurs à insertion/extraction optiques, des brasseurs optiques et des commutateurs optiques.

Schémas de principe d’un multiplexeur à insertion/extraction optiques
(Optical Add Drop Multiplexing : OADM) [Int4]

Schéma de principe d’un brasseur optique (Optical Cross-Connect : OXC) [Int4]

Ces fonctions sont aujourd’hui encore assurées par du matériel électrique; mais le temps de conversion des signaux électriques en signaux optiques et inversement est important. Une meilleure exploitation de la fibre et de DWDM passe donc par la mise en place de réseaux tout optiques.

On peut dire que dans la technologie de la fibre optique, les recherches et les annonces se succèdent à un rythme accéléré :

Mai 1998 : " Interop Las Vegas : premiers pas de la technologie DWDM. […] Ici à Las Vegas, un effort important a été accompli pour tenter de " démocratiser " cette technologie… en montrant notamment son intéropérabilité avec le Gigabit Ethernet " [Cor98]

Mars 1999 : " La fibre optique reste à la mode. Le Japon a décidé la construction d’un réseau à très haut débit, le Peta Net qui utilisera cette technologie. […] Comme son nom l’indique, ce réseau devrait supporter un débit maximum de l’ordre de un petabit par seconde (mille térabits par seconde). […] Cette super-autoroute des communications reposera sur la technique du WDM… " [LMI99]

Mars 1999 : " Les ingénieurs de Pirelli travaillent sur un système à 128 longueurs d’ondes. Une autre approche consiste à utiliser des composants capables de faire grimper le débit à 10 Gbit/s par longueur d’onde… " [Pra99]

Juillet 1999 : " La technologie de transmission Soliton nous a permis cette année d’atteindre sur notre fibre optique un débit de un térabit par seconde, sur une distance de 1000 kilomètres (sans répétiteur), ce qui est une première mondiale explique le responsable du C.N.E.T. […] Contre 2,5 Gbit/s maximaux atteints traditionnellement en STM-16, on peut obtenir des débits de 400 Gbit/s avec le DWDM " [Fle99]

Septembre 1999 : " Les laboratoires Bell ont annoncé avoir atteint le débit de 160 Gbit/s sur une distance de 300 km en utilisant un laser monochromatique. Les débits les plus élevés atteints actuellement sont de 40 Gbit/s. Ils espèrent pouvoir combiner cette technique avec leur procédé UDWDM (Ultra Dense Wavelength Division Multiplexing) qui fait cohabiter 1022 fréquences sur une seule fibre. L’espacement entre chaque porteuse est de 10 GHz (soit 0,08 nm). La combinaison des deux technologies devrait ouvrir les portes du " multi-terabit " sur fibre. " [Ola99]

Novembre 1999 : " Les commutateurs " tout optiques " disponible en 2000. […] Selon Lucent, l’équipement pourra ainsi commuter simultanément 256 canaux optiques, chaque longueur d’onde pouvant en pratique transporter un débit maximal de 40 Gbit/s " [Arl99]