Les câbles réseau et les câbles audio utilisent une structure en « paire torsadée ». Étonnamment, peu de gens ont une idée intuitive de la raison pour laquelle torsader deux fils les rend résistants au bruit.
Cet article part de la notion de symétrie et explique comment un câble à paire torsadée annule le bruit.
Ce que « symétrique » veut dire au juste
Dans un circuit électrique, la symétrie signifie que le conducteur aller et le conducteur retour d’un signal sont équivalents à tous points de vue.
Une ligne de signal ordinaire (asymétrique, ou single-ended) possède un conducteur aller qui lui est propre, mais son chemin de retour est un conducteur commun appelé masse. L’aller et le retour sont dissymétriques : c’est donc une liaison asymétrique.
À l’inverse, une configuration où l’aller et le retour sont parfaitement équivalents s’appelle un circuit symétrique. La symétrie parfaite est impossible en pratique, mais « suffisamment équivalent pour l’usage réel » suffit à parler de symétrie.
Ce qu’apporte la symétrie : le bruit extérieur arrive en mode commun
Le principal avantage du câblage symétrique est que le bruit venu de l’extérieur entre en mode commun.
Lorsque les deux conducteurs cheminent côte à côte sur un pied d’égalité, un bruit électromagnétique extérieur induit la même tension sur les deux. C’est du mode commun. Aucune composante différentielle (mode normal) n’apparaît.
Le bruit de mode commun peut être éliminé en exploitant la différence entre les modes (voir l’article sur le bruit de mode commun). Le bruit de mode normal, lui, partage le mode du signal et se révèle difficile à supprimer.
Autrement dit, la stratégie de la symétrie consiste à accepter le bruit de mode commun en échange d’une immunité au mode normal. Ce qui est capté peut être éliminé tant qu’il s’agit de mode commun : la liaison est globalement plus robuste.
Pourquoi la paire torsadée fonctionne
Parmi les câbles symétriques, celui qui atteint en pratique le meilleur degré de symétrie est le câble à paire torsadée : deux conducteurs torsadés l’un autour de l’autre en hélice.
Quand elle subit un bruit extérieur
Lorsqu’un flux magnétique extérieur (un champ magnétique variable) embrasse le câble, une force électromotrice apparaît dans la boucle : c’est l’induction électromagnétique. Dans une paire torsadée, l’orientation de la boucle traversée par le flux s’inverse d’une torsade à la suivante.
Il en résulte que les f.é.m. produites dans les torsades successives se compensent, et que la tension de bruit globale tend vers zéro.
Quand elle émet du bruit vers l’extérieur
Le courant circulant dans le câble engendre un flux magnétique, mais dans une paire torsadée le sens du courant s’inverse d’une torsade à l’autre. Le flux produit se compense lui aussi, et la fuite loin du câble devient très faible.
La paire torsadée est donc performante des deux côtés : elle capte difficilement le bruit et en émet difficilement.
Différence avec un câble parallèle
Un « câble parallèle », dont les deux conducteurs cheminent côte à côte sans être torsadés, présente lui aussi une certaine symétrie. Mais comme les deux fils gardent toujours la même position relative, la direction du champ extérieur peut faire que l’un capte bien plus de bruit que l’autre.
La torsade fait coïncider la position moyenne des deux conducteurs : la compensation reste efficace quel que soit la direction d’où vient le bruit.
Câblage symétrique sur circuit imprimé
Sur un circuit imprimé, on ne peut pas réaliser un véritable câblage symétrique équivalent à une paire torsadée. On peut en revanche faire cheminer côte à côte les pistes aller et retour et obtenir un degré de symétrie comparable à celui d’un câble parallèle.
Par ailleurs, l’association d’un plan de masse et d’une piste de signal (ligne microruban) se comporte en haute fréquence de façon proche d’un câble coaxial et assure un blindage vis-à-vis du bruit extérieur.
Quand la symétrie est nécessaire, et quand elle ne l’est pas
Un circuit symétrique demande davantage de conducteurs et coûte plus cher. Il n’est pas nécessaire de tout câbler en symétrique.
Cas où la symétrie est particulièrement efficace :
- Transmission sur longue distance et interfaces entre équipements (RS-422, RS-485, Ethernet, etc.)
- Transmission de signaux de bas niveau et de sorties de capteurs, lorsque la tension de mode commun est élevée
- Transmission de signal dans un environnement très bruité
Les circuits numériques internes disposent d’une marge de bruit : l’asymétrique (single-ended) suffit généralement. Ne rendre différentielle (symétrique) que la partie interface est le choix réaliste.
En résumé
- La symétrie, c’est un aller et un retour équivalents. Le bruit extérieur entre en mode commun et le bruit de mode normal est réduit
- La structure torsadée compense la f.é.m. induite par le bruit extérieur : c’est le meilleur degré de symétrie atteignable en pratique
- Non seulement elle est difficile à perturber, mais elle rayonne peu vers l’extérieur : bonne en victime comme en agresseur
- Efficace pour la transmission longue distance et les signaux de bas niveau. À l’intérieur d’un appareil, le single-ended suffit généralement
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