Les fréquences : De la première expérience de transmission radio en ¬1896 jusqu’à nos jours

 A l’occasion de la célébration du 150ème anniversaire de la création de l’Union Internationale des Télécommunications (UIT) et de la tenue de la Conférence Mondiale de Radiocommunication (CMR) en novembre 2015 à Genève , nous proposons à nos  lecteurs un article sur l’évolution de l’utilisation des fréquences dans le monde  depuis la première expérience de transmission radio effectuée par Hertz en ­1896  jusqu’à nos jours. On traitera le sujet en suivant l’évolution de l’exploitation des bandes de fréquences, décrites dans le tableau ci-après, défini par l’Article S2.1 du Règlement des radiocommunications (RR) de l’UIT, après avoir donné en introduction quelques informations sur la naissance de l’utilisation des fréquences dans le monde.

 Tout  a commencé en 1870 avec James Clerk Maxwell, physicien et mathématicien écossais qui avait mis en évidence, sur le plan théorique et  pour la première fois, la production d’une onde électromagnétique par induction, due à la variation  du champ magnétique et du champ électrique. Mais, il a fallu attendre  26 ans (jusqu’en en 1896) pour qu’Heinrich Hertz, physicien allemand, concrétise en pratique ce que Maxwell avait imaginé. Hertz est ainsi entré dans l’histoire en donnant son nom à l’unité de fréquence d’un signal périodique. Exprimée en Hertz (Hz), la fréquence correspond au nombre d’oscillations d’un signal radioélectrique périodique par unité de temps. Quant à la  bande de fréquence, elle définit une plage de fréquences des ondes radio qui ont des propriétés similaires.

Mais le mérite revient surtout à l’Italien Guglielmo Marconi qui a pu en 1895,  réaliser le premier système émetteur-récepteur capable de transmettre un signal sur plusieurs kilomètres.  En Mai 1897,  il établit la Première communication en morse à plus de 13 km entre Lavernock (Pays de Galles) et Brean (Angleterre) par-dessus le Canal de Bristol.

Marconi a déposé un brevet à cet effet.  Ainsi, est  née en 1897, la radiotélégraphie ou la Transmission sans fil (TSF).

Réellement, l’histoire des fréquences et de  la radioélectricité a débuté après décembre 1901, quand Guglielmo Marconi a récidivé en réalisant la première transmission radio sur une grande distance. Ce qui lui valut le prix Nobel en 1909. La première liaison transatlantique radio a eu lieu entre les Cornouailles (en Angleterre)  et Terre Neuve (au Canada) en 1904.

Au Maroc, la première ville ayant utilisé un système radio à base de fréquence radioélectrique fut Casablanca en 1907, soit six ans après l’expérience de Marconi. Les fréquences ont ainsi été utilisées pour la première fois à Casablanca pour effectuer des communications notamment du Maroc vers  l’international et particulièrement vers Paris (Tour Eiffel).

L’Union internationale des télécommunications

Pendant un siècle et demi, depuis 1865, l’Union internationale des télécommunications (UIT) a été au centre des progrès de la communication – de la télégraphie au monde moderne des satellites, des téléphones mobiles et de l’Internet.

Le 17 mai 1865, la première Convention télégraphique internationale a été signée à Paris par vingt membres fondateurs, et l’Union télégraphique internationale (la première incarnation de l’UIT) a été créée pour superviser les modifications ultérieures à l’accord. Cette date importante a fini par devenir la Journée mondiale des télécommunications et de l’information de la société.

 

http://itu150.org/historical-timeline/

Les problèmes des connexions internationales sont survenus depuis le début. La question a été soulevée en 1902, lorsque le prince Henri de Prusse, de retour à travers l’Atlantique à la fin d’une visite aux Etats- Unis, a tenté d’envoyer un message de courtoisie de son navire au président américain Theodore Roosevelt. Le message a été rejeté par la station côtière des États-Unis parce que l’équipement radio du navire était d’un type différent. À la suite de cet incident, le gouvernement allemand a appelé à une conférence Radio préliminaire à Berlin en 1903 avec l’objectif d’établir des règles internationales pour les communications radiotélégraphiques. Cet événement a été suivi en 1906 par la tenue  de la première Conférence radiotélégraphique internationale à Berlin, en présence de représentants de 29 nations. Il a été décidé que le Bureau de l’UIT agisse comme administrateur central de la conférence et une Section Radiotélégraphique du Bureau a été  créée.

La conférence de 1906 a donné lieu à  la Convention radiotélégraphique internationale avec une annexe contenant les premiers règlements dans ce domaine. Ceux-ci ont été élargis et révisés par de nombreuses conférences ultérieures, et sont devenus communément connus sous vocable de Règlement des radiocommunications « qui constitue le cadre réglementaire mondial d’utilisation du spectre, auquel les 189 pays de l’UIT  sont tenus de se conformer ».  Aujourd’hui , compte tenu de la multitude de services sans fil, les règlements comprennent plus de 1000 pages d’informations sur la façon dont la ressource limitée du spectre des fréquences radioélectriques – ainsi que des orbites de satellite – doit être partagée et utilisée au niveau international .

Dans le règlement des radiocommunications, on peut lire la définition suivante : « Ondes radioélectriques ou ondes hertziennes : « ondes électromagnétiques dont la fréquence est par convention inférieure à 300 GHz, se propageant dans l’espace sans guide artificiel » ; elles sont comprises entre 9 kHz et 300 GHz qui correspond à des longueurs d’onde de 33 km à 1 mm» Les ondes de fréquence inférieure à 9 kHz sont des ondes radio, mais ne sont pas réglementées. Les ondes de fréquence supérieure à 300 GHz sont classées dans les ondes infrarouges car la technologie associée à leur utilisation est actuellement de type optique et non électrique.

 Les fréquences radioélectriques étant  des ressources rares,  leur attribution s’effectue dans le cadre des instances de  l’UIT, en particulier les conférences mondiales de radiocommunications « CMR ». Ces conférences ont le mandat de définir les conditions d’accès au spectre par les pays membres de l’UIT, pour chaque type de système et  de réseau et de décider des modifications à apporter au Règlement des Radiocommunications. Au niveau de chaque pays, on a créé des organismes pour assurer la gestion du spectre des fréquences et ce en coordination étroite avec l’UIT, avec les utilisateurs nationaux et les pays de frontières. La gestion du spectre, étant l’ensemble des procédures administratives, scientifiques et techniques nécessaires au bon fonctionnement des équipements et des services de radiocommunications, sans brouillage préjudiciable entre utilisateurs et entres pays voisins.

Très basse fréquence ou very low frequency (VLF) :

Les ondes VLF située entre 3hz et 30khz, ont la particularité de pénétrer dans l’eau jusqu’à une profondeur de 10 à 50 mètres, selon la fréquence et la nature chimique du milieu. Ces ondes sont utilisées à partir des années 60, notamment en Suède et aux Etats-Unis, pour assurer notamment les télécommunications avec les sous-marins proches de la surface  et à grande profondeur. Il existe aussi les fréquences extrêmement basses fréquences ou ELF situées entre 3 et 30 Hz , qui servent à détecter certains phénomènes naturels, générateurs d’impulsions radioélectriques. Les ondes de fréquence inférieure à 20 kHz ont été utilisées dès les débuts de la radio-télécommunication, mais  furent très vite abandonnées en raison de la faible bande passante disponible. Peu de systèmes sont en cours de fonction actuellement dans le monde dans ces bandes de fréquences VLF et ELF.

Les basses fréquences LF ( low frequency) et MF ( medium frequency):

Initialement, la bande radioélectrique des « basses fréquences » était la partie du spectre radioélectrique de fréquence comprise entre 30 kHz et 300 kHz. Cette bande radioélectrique des basses fréquences était divisée en deux parties distinctes : la bande de 30 à 150 kHz était affectée aux signaux de radionavigation et la bande de 150 kHz à 300 kHz était utilisée pour la radiodiffusion ondes longues. Aujourd’hui les bandes basses fréquences regroupent les fréquences LF et MF de 3khz à 3 MHZ.

Les ondes de basses fréquences avaient pour objectif, au début du siècle dernier de permettre aux navires de communiquer avec les stations terrestres et entre eux. Ces premières ondes avaient l’avantage de se propager à la surface du globe et elles pouvaient atteindre de très grandes distances. Elles pouvaient aussi pénétrer profondément dans l’eau pour assurer la communication, par exemple, avec les bateaux sous-marins.  Par contre, ces basses fréquences étaient connues par deux points faibles.

Le premier est  leur incapacité à transporter plus d’informations. Au début du siècle dernier,  les ondes de très basse fréquence ne pouvaient transmettre que des signaux télégraphiques. En 1968, des efforts ont été fournis en vue de mettre au point des systèmes permettant de loger plusieurs canaux télégraphiques dans une onde porteuse de très basse fréquence. Il va de soi que la radiotéléphonie et la radiodiffusion ne deviennent possible que dans la partie supérieure de la gamme des basses fréquences.

        Le second point faible a trait à la nature du matériel qu’il faut mettre en œuvre. Ces ondes requéraient, pour leur émission, d’énormes quantités d’énergie et des antennes gigantesques. Pour qu’elle soit efficace, une antenne émettrice doit mesurer à peu près une demi-longueur d’onde. Comme cette longueur croît quand la fréquence baisse, aux basses fréquences se trouvent associées les plus grandes longueurs d’onde.

1. longueur d’onde (λ)= vitesse d’onde (C) /fréquence (f).

   • La longueur d’onde est généralement représentée par la lettre grecque lambda (λ)

   • La vitesse (célérité) est généralement représentée par la lettre C

   • La fréquence est généralement représentée par la lettre F (dans les pays anglo-saxons) ou la lettre grecque « nu » représenté par la lettre « v »

 

C’est ainsi qu’une onde de 30 kHz a une longueur de 10 kilomètres! En général, on fait des antennes de basse fréquence avec des fils longs de plusieurs centaines de mètres, tendus horizontalement entre des pylônes. On  comprend alors, le manque de place pour installer d’aussi grandes antennes à bord des bateaux, des sous-marins et des avions. C’est pour cette raison que ces navigables  ne pouvaient répondre à ces messages reçus par les mêmes moyens sur Terre.

       Les navires de surface eux-mêmes ne tardèrent d’ailleurs pas à adopter les fréquences moyennes, bien que leur portée fût moindre. Dans le cadre des accords internationaux, la bande des moyennes fréquences,  comprises entre 415 et 525 kHz, avait été réservée au service maritime mobile et, pendant longtemps, ce fut la seule bande employée par les bateaux en mer. Ces fréquences servaient aux transmissions manuelles en morse entre deux navires ou bien entre un navire et les stations terrestres.

Nombre de bateaux, particulièrement les moins grands, n’avaient  pas d’opérateur morse à bord et sont équipés d’appareils de radiotéléphonie qui fonctionnent dans le domaine des moyennes fréquences comprises entre 1650 et 4 000 kHz. Les signaux émis dans cette bande, bien que descendant largement en deça de l’horizon, ont une portée très inférieure à celle des ondes de la bande de 415 à 525 kHz: ils dépassent rarement 300 km, même dans les zones où le trafic est modéré. Néanmoins, le fait que l’on puisse se servir du téléphone à la place du manipulateur morse était d’un grand intérêt, puisqu’il est ainsi possible de se passer des services d’un radiotélégraphiste.

En relation avec les fréquences basses, il y a lieu de préciser qu’au Maroc la radiodiffusion qui a été mise en service dès 1928, utilisait les ondes de 450 mètres et 499 mètres. Signalons au passage que l’attribution des fréquences pour la radiodiffusion européenne était effectuée par l’organisation privée de la TSF à qui revient l’élaboration en 1925 du plan de répartition des ondes courtes dit plan de Genève. Pour la radiotélégraphie maritime et aérienne, on avait allouée les ondes 900 et 600 mètres. L’onde 600 était réservée pour la sécurité et l’écoute en permanence particulièrement pour l’apport de secours en mer aux bateaux.

Les hautes fréquences :

La haute fréquence, désigne un spectre de fréquences dont la fréquence est comprise entre 3  et 30 MHz. Elles sont également appelées « ondes courtes », c’est-à-dire que leur longueur d’onde est comprise entre 10 et 100 mètres

Jusqu’au milieu des années 1920, la bande des hautes fréquences ou « ondes courtes » a été négligée au profit des fréquences plus basses dont la propagation était considérée  plus stable.

Aux premiers temps de la télégraphie sans fils, la faible capacité d’information des ondes de basse fréquence ne posait pas de problème étant donné que toute augmentation de la fréquence avait pour conséquence la baisse de la portée. Les ingénieurs et techniciens des télécoms concluaient à l’époque que les basses fréquences étaient les plus utiles pour les télécommunications et que les fréquences supérieures à quelque 3 MHz étaient inutilisables.

Mais les radioamateurs étaient libres de travailler et de faire  les essais sur les fréquences qui n’étaient pas utilisées. Ainsi à la surprise générale, et au cours des années 1920, les radioamateurs ont réussi de réaliser des transmissions de très grandes distances avec des fréquences supérieures à 3 MHZ.  Le 27 novembre 1923, des radioamateurs réalisaient la première liaison bidirectionnelle transatlantique en haute fréquence sur une longueur d’onde spécialement autorisée (2,912 MHz), entre la France et les États-Unis.

Les scientifiques de l’époque sont vite arrivés à trouver une explication à ce phénomène. Ils trouvèrent, que l’ionosphère était à l’origine de cet extraordinaire effet de propagation. Cette couche d’air ionisé, à l’instar d’un miroir, réfléchit les ondes courtes vers le sol, qui est atteint en un point situé très loin au-delà de l’horizon.

Cette gamme de fréquences comprises entre 3 et 30 MHz fut appelée la bande de haute fréquence. Ce qualificatif est toujours employé, bien que prêtant à confusion puisque, de nos jours, on émet sur des fréquences davantage supérieure qui sont donc considérablement plus hautes dans le spectre radioélectrique. Des ondes de haute fréquence ont été réservées pour de nombreux services mobiles, tels que les radios communications des navires et des avions. Sur l’ensemble de cette partie du spectre, on a prévu de nombreuses bandes étroites qui sont attribuées à des services déterminés.

Les navires et les avions, ont utilisé la HF pour les télécommunications à longue distance lors de leurs vols transocéaniques. Il fut un temps où tous les avions de ligne avaient à bord un radiotélégraphiste, les gros du trafic étant alors faits en morse. De nos jours, les avions sont équipés d’équipements plus modernes.

      Les usagers civils trouvent les hautes fréquences très utiles dans les régions les moins peuplées du monde,  où les véhicules sont souvent séparés les uns des autres, ainsi que de leurs bases, par des distances considérablement plus grandes que ne le permet la portée pratique des ondes de VHF. Les militaires font aussi un grand usage d’équipements mobiles de haute fréquence, à bord des chars et des bateaux de guerre. Leur grande portée provient du fait que les ondes de haute fréquence ne sont pas arrêtées par les obstacles artificiels et naturels, y compris la rotondité de la Terre, comme c’est le cas pour les VHF.

           Les ondes radioélectriques de haute fréquence ont été également employées pour assurer les liaisons téléphoniques et télégraphiques entre des pays quand les câbles faisaient défaut.

       Dans le domaine des hautes fréquences, la longueur des ondes est de 10 à 100 m, ce qui signifie que des antennes efficaces peuvent être employées non seulement par les stations terrestres fixes, mais aussi à bord des navires. L’énergie consommée par l’émetteur est bien moindre que pour les postes de basse fréquence : il suffit de quelques kilowatts pour communiquer tout autour du monde et, même avec une puissance de quelques centaines de watts, un bateau se trouvant dans n’importe quelle mer peut communiquer avec l’Europe pourvu que la transmission ait lieu à l’heure la plus favorable du jour.

Les hautes fréquences ont été longtemps utilisées pour de nombreux usages : militaires, maritimes, aériens,… Actuellement, avec le développement des liaisons par satellite et par relais terrestres, les ondes HF sont peu à peu abandonnées par les services officiels et la radiodiffusion. Elles restent cependant incontournables pour les services maritimes et aériens notamment pour garantir la sécurité des liaisons océaniques, pour les liaisons fixes ou mobiles dans des zones sans infrastructure, ou en secours, en cas de catastrophe naturelle ou pour le trafic militaire. La radiodiffusion représente 13 % du spectre, le trafic maritime 20 %, le trafic aérien 10 % et les bandes amateurs 12 %.

La bande VHF ( very high frequency) :

La bande des très hautes fréquences (very high frequency/VHF) est la partie du spectre radioélectrique s’étendant de 30 MHz à 300 MHz. Les fréquences de 30 MHz à 300 MHz se propagent surtout en vue directe. Leur longueur d’onde est favorable aux liaisons mobiles ou fixes en radiotéléphonie avec des antennes simples non directionnelles et des puissances faibles. La bande des VHF est partagée entre de nombreuses utilisations, la diffusion de télévision terrestre et la radiodiffusion FM occupant la moitié du spectre, le reste est alloué en Europe aux liaisons satellitaires, maritimes, radioamateur, aéronautiques, privées ou militaires.

La propagation des ondes VHF étant régionale, des attributions des fréquences différentes sont applicables aux autres régions de l’UIT

Au cours des années 1950, les militaires s’intéressèrent grandement à la technique fondée sur la diffusion troposphérique parce qu’elle permet les liaisons à des distances comprises entre le maximum atteint en VHF (30 km) et le minimum pratiquement possible en haute fréquence (300 km).

  Les postes mobiles employés sur les navires et les avions, les ambulances, les voitures de police, les chars,… font un emploi intensif des VHF et UHF. Lorsqu’un navire se trouve à quai ou qu’il navigue en vue d’une station côtière, il peut communiquer par radiotéléphonie en recourant aux VHF. La station terrestre peut alors appeler n’importe quel abonné du téléphone et le mettre en communication avec le navire.

Le trafic entre les avions et le centre de contrôle des aéroports se fait aussi en VHF lorsque les appareils survolent le sol ou volent sur la mer mais près des côtes. Avec ces ondes, l’avion peut communiquer à de plus grandes distances que les navires ou les véhicules terrestres car, en raison de son altitude, l’appareil reste en vue des stations radio des aéroports même à de très grandes distances. D’ailleurs, des chaînes de stations de VHF ont été installées le long des principaux couloirs aériens, le plus souvent sur des hauteurs.

 Depuis le milieu des années 1960, on a assisté à l’apparition de petits émetteurs-récepteurs que l’on peut porter sur soi et qui sont utiles dans nombre d’activités comme pour les policiers et les pompiers.

La bande UHF  (ultra high frequency):

La bande des Ultra hautes fréquences (UHF) est la bande du spectre radioélectrique comprise entre 300 MHz et 3 000 MHz ^[

La bande UHF est le terme officiel désignant les fréquences de 300 à 3 000 MHz, mais la partie haute appartient plus généralement au domaine technique des « hyperfréquences » qui s’étend de 1 GHz (1 000 MHz) à 1 000 GHz

Les fréquences UHF se propagent principalement en vue directe. Leur usage s’est développé avec la saturation de la bande VHF pour les applications de radiotéléphonie fixe ou mobile et de télévision, au fur et à mesure de la disponibilité de composants adaptés, en particulier le passage de l’électronique à tubes aux transistors. La bande au-dessus de 1 000 MHz a été utilisée d’abord pour les radars, puis les faisceaux hertziens, puis les liaisons satellitaires (GPS, téléphonie mobile), et enfin plus récemment pour les téléphones mobiles GSM et les liaisons Wi-Fi ou Bluetooth.

 Au cours des années 1960, des émetteurs de télévision commencèrent à fonctionner dans la partie inférieure de la bande des fréquences UHF qui s’étend des 300 aux 3 000 MHz. Ce glissement vers de plus hautes fréquences est la conséquence de la multiplication des émetteurs, l’afflux de demandes de canaux ne pouvant plus être satisfait par une bande VHF déjà saturée.

  Le domaine des UHF compris entre 790 et 960 MHz est particulièrement intéressant et a permis l’éclosion d’une technique nouvelle, la diffusion troposphérique qui autorise des portées de 300 kilomètres.

Supra-haute fréquence ou SHF:

On appelle supra-haute fréquence (SHF), Super high frequency en anglais ou hyperfréquence, la bande de radiofréquences qui s’étend de 3 GHz à 30 GHz  (longueur d’onde de 10 cm à 1 cm). Les SHF font partie des micro-ondes. Les SHF sont en particulier utilisées dans les fours à micro-ondes pour agiter les molécules d’eau. Ces ondes électromagnétiques sont très facilement absorbées par tout matériau plein d’une certaine épaisseur

    En montant encore plus haut dans le spectre des fréquences, la première région d’intérêt pour les radios techniciens sur laquelle on tombe est celle des 3 000 à 12 000 M Hz.   Les micro-ondes sont particulièrement utiles pour relier entre eux de grands centres urbains car, en raison de leur énorme fréquence, elles peuvent véhiculer une quantité colossale d’information. En fait, la porteuse d’un seul émetteur peut être modulée par des milliers de conversations téléphoniques, des signaux de télévision.

A ces fréquences-là, la longueur d’onde n’est que de quelques centimètres, ce qui permet de concentrer les ondes dans d’étroits faisceaux et de les projeter avec précision dans la direction voulue.

Ainsi tous  les pays ont mis en place tout un réseau de faisceaux hertziens qui relie les principales agglomérations urbaines.

La station terrienne chargée d’émettre les signaux vers l’Europe et le reste du monde via satellite fut installée près de Mexico, ville qui disposait d’un réseau permanent de liaisons par micro-ondes vers 1968. Un réseau de liaisons par faisceaux hertziens fut installé au Mexique pour la retransmission par télévision des Jeux Olympiques via cette station terrienne. C’est fin des 60 presque  à la même date  que fut installée une grande station terrienne de Shoul non loin de Rabat pour assurer les communications via les satellites avec l’international. La station de Sehoul fonctionnait à l’époque avec une fréquence 6Ghz pour l’émission et avec 4Ghz pour la réception, avec une bande passante de 500Mhz pour la téléphonie et 40Mhz pour la télévision.

Extrêmement haute fréquence (extremely high frequency) :

La bande dite extrêmement haute fréquence (EHF), s’étend de 30 à 300 GHz (longueur d’onde de 1 cm à 1 mm). Les fréquences au niveau de cette bande  font partie des micro-ondes aussi.  Parmi leurs applications il y a la vidéo portable et  les divers dispositifs pour améliorer la sécurité routière des voitures. Dans l’article « Les technologies de l’information et de communication au service de l’amélioration de la sécurité routière» traité dans le numéro 1  de Lte Magazine,  on avait déjà rapporté que pour encourager ces dernières applications citées, l’UIT préconise l’harmonisation de la bande de fréquences 79 GHz pour les capteurs automobiles à haute résolution et à faible portée, en l’occurrence  lorsque la Conférence Mondiale des Radiocommunications prévue en novembre 2015 examinera l’attribution de la bande 77,5-78 GHz au service de radiolocalisation dans le cadre des activités de secours.

 Conclusion :

Comme on vient de voir, les télécommunications radioélectriques sont  devenues une réalité depuis 1896, grâce notamment aux travaux d’Heinrich Hertz. Peut-être il viendra un temps où on assistera à la naissance d’un nouveau type de support de télécommunication. Déjà et comme on l’avait annoncé en marge du séminaire organisé à l’Institut National des Postes et des Télécoms de Rabat, en décembre 2012 autour du thème du « Boson de Higgs » , les physiciens de la NASA aux USA ont pu envoyer un message en codes binaire par paquets de neutrinos le long d’un trajet d’un peu plus d’un kilomètre, dont 240 m sous le sol, à travers la roche, (http://www.anrt.ma/sites/default/files/Physique-des-particules-Ahmed-khaouja20121207.pdf).

La recherche et l’innovation n’ayant pas de limites, les télécommunications s’ouvriront certainement à de nouveaux horizons inattendus, car comme disait René Guenon, philosophe français : «On ne peut pas arrêter le progrès ! ».

Par Ahmed Khaouja consultant Télécoms et TICs