Considérations techniques pour la réception de la télévision numérique

Cet article a pour but de démystifier les considérations de réception de la télévision numérique (TVN). Cet article s’adresse au grand public, il est donc écrit dans un langage peu technique et utilise des analogies familières à tous. Certes, il y aura un peu d’arithmétique, histoire d’illustrer certains phénomènes, mais rien qui ne nécessite un retour à l’école.

Depuis Juillet 2012, les Canadiens de plusieurs grandes villes ont maintenant accès à un service de télévision numérique par ondes hertziennes. Cette transition a forcé quelques changements de fréquences et de contours de desserte. Ajoutons à cela le fait que le système de canaux virtuels (la télévision numérique) a remplacé le système de canaux physiques (la télévision analogique) ce qui contribue à alimenter la confusion du public face à ce service.

Même vieille physique, nouveaux défis

Réception extérieure

La télévision numérique fait usage des mêmes ondes électromagnétiques que la radio et la télévision analogique. Ces ondes obéissent à certaines lois immuables :

Les ondes électromagnétiques s’affaiblissent en fonction de la distance entre l’émetteur et le récepteur.

Phénomène d’affaiblissement : Un ambitieux peintre graffiti veut couvrir la Terre de peinture en aérosol, quelle surface couvrira-t-il à une distance X de la Terre? On peut modéliser une canette de peinture en aérosol comme une source de peinture isotropique (terme intimidant signifiant que ce machin diffuse également dans toutes les directions). On a donc affaire à une sphère, la surface d’une sphère à une distance R est de 4∏R2.

Par contre, le bec de la canette de peinture en aérosol ne diffuse que sur une partie de la sphère. On doit donc ajouter un facteur multiplicateur proportionnel au ratio entre la surface couverte par le bec et la surface totale de la sphère. Ce ratio s’appelle le gain de diffusion.

  • Le même phénomène s’applique aux antennes de réception, avec la même terminologie.
  • L’intensité d’une onde électromagnétique à une distance R de l’antenne de transmission est proportionnelle à un facteur : Gain / 4∏R2.
Fait numéro 1 : Les ondes électromagnétiques s’affaiblissent proportionnellement à un facteur inverse au carré de la distance qui sépare l’émetteur du récepteur.

En bande UHF, la couverture est limitée à une certaine distance qui correspond à la distance en ligne de vue :

Les ondes électromagnétiques se propagent en ligne droite. Imaginons un lanceur de baseball lançant la balle à l’horizon à une vitesse infinie ; cette balle ne suivrait pas la courbature de la Terre. Elle voyagerait en ligne droite, quitterait la Terre et finirait ses jours quelque part dans la cour de ET. Le même phénomène s’applique aux ondes électromagnétiques, cette trajectoire rectiligne limite la propagation à un horizon visible, appelé horizon radio. L’horizon radio varie selon la hauteur des points d’émission et de réception. Avec des tours de transmission de grandeur moyenne, l’horizon radio est limité à une distance de 30 à 70 km.

Essayer de traverser l’horizon radio en ajoutant de la puissance représente un investissement aux bénéfices dégressifs. C’est un peu comme essayer d’augmenter le rayon d’action d’un avion en augmentant la capacité du réservoir d’essence. Arrivé à un certain point, l’appareil devient trop lourd pour s’envoler et sa portée n’améliore pas.

Fait numéro 2 : La portée d’une station émettrice de bande UHF est limitée par le terrain et la hauteur des sites d’émission et de réception ; de façon générale, cette limite se situe aux alentours de 70 km.

Réception intérieure

Que différencie la réception extérieure de la réception intérieure?

  • La traversée des murs de la maison
  • L’environnement intérieur

La traversée des murs

Les ondes ne traversent pas tous les murs. Depuis le début des années 1970, le code canadien du bâtiment alloue l’usage de pare-vapeur métallique et cette membrane est tout à fait opaque aux ondes électromagnétiques, ce qui ne laisse que l’espace de certaines fenêtres pour laisser passer les ondes radio. La réception intérieure devient donc un exercice de hasard, même si peu de distance nous sépare du site d’émission.

Essentiellement, la couverture intérieure n’est jamais garantie.

L’Advanced Television Systems Committee (ATSC)[i] a entrepris une étude sur les marges requises pour traverser les murs d’édifice en bande UHF. Celle-ci concluait à la nécessité d’une marge de 13 dB (20 fois la puissance d’émission). Comme il s’agit d’une population statistique à distribution normale, on a donc besoin de la moyenne plus deux écarts types afin de rejoindre 95 % de la population. L’écart type de cette population statistique était de 9 dB. Conséquemment, pour résumer, on a besoin de mille fois la puissance d’émission, soit (13 + 2 x 9) = 31 dB (mille fois) pour rejoindre 95 % de cette population dans un bâtiment intérieur.

Fait numéro 3 : La réception intérieure ne peut pas être garantie dans tous les édifices, quelle que soit la distance séparant la maison de la station émettrice.

Facteur aggravant à l’intérieur : les micro-réflexions

Comme les ondes radio ne peuvent pénétrer dans les édifices que par les fenêtres, une fois entrées dans la pièce, ces ondes sont reflétées à travers la pièce (des centaines de fois), plutôt que de traverser les murs de l’intérieur et s’enfuir à l’extérieur. On retrouve donc des milliers de micro-réflexions à l’intérieur d’une pièce. Étant donné que ces ondes voyagent à la vitesse de la lumière (environ 1 milliard km/h) et que les distances parcourues (à l’intérieur de la pièce) ne sont que de quelques mètres, ces micro-réflexions sont toutes très rapprochées (en termes de temps) ce qui cause que la tâche du récepteur (rejeter les échos) soit quasi impossible.

Fait numéro 4 : Les multiples réflexions du signal à l’intérieur de la pièce dégradent l’habileté de votre récepteur de télé numérique à recevoir le signal.

Facteur aggravant : le bruit dû à l’activité humaine

Imaginez que vous essayez de suivre une conversation au beau milieu d’une salle truffée de plus de 100 personnes parlant en même temps. Votre capacité de décoder ce que votre interlocuteur essaie de vous dire est dégradée par tous les autres sons qui inondent vos oreilles.

Le même phénomène est aussi vrai dans le terrain de la communication numérique. On définit l’ensemble des autres signaux nuisibles comme le bruit.

Le bruit en communication est normalement causé par les collisions d’électrons à l’intérieur des composantes. Il est limité à une valeur définie comme étant le bruit thermique (une valeur d’environ 106 dBm par tranche de 6 MHz).

Dans une maison telle que celles que nous habitons aujourd’hui, ce bruit est complètement enterré par toutes sortes de parasites générés par les appareils qui nous entourent : les ordinateurs, DVD, magnétoscopes, thermostats électroniques, détecteurs de fumée, récepteurs et émetteurs de toutes sortes, et surtout les appareils utilisant des blocs d’alimentation par commutation (« switching power-supply »). Ces appareils irradient principalement en bande UHF, qui est aussi la bande porteuse des ondes de télévision numérique.

Fait numéro 5 : La dégradation du plancher de bruit causée par l’activité humaine handicape inévitablement l’habilité de votre récepteur à recevoir la télévision numérique.

Mise en pratique des théories pour maximiser les chances de réception de la TVN

Réception extérieure

La réception extérieure sera de loin la plus fiable, car on a un certain contrôle sur une série de facteurs qui affaiblissent le signal :

  • Distance : on ne peut rien y faire à moins de déménager plus près de la station émettrice. Par contre, on peut augmenter la fiabilité de la réception en utilisant une antenne à gain élevé.
  • En bande UHF, il n’y a aucun besoin d’avoir une antenne monstrueuse pour recevoir le signal, certaines antennes toutes simples sont fort efficaces.

138 pouces

152 pouces

Une antenne de ces dimensions pourrait être remplacée par les exemples ci-dessous :

  • Horizon radio : L’horizon radio est fonction de la hauteur des sites d’émission et de réception. On peut donc en atténuer l’impact en plaçant l’antenne réceptrice le plus haut possible.

Une réception extérieure avec une antenne peu performante sera tout de même beaucoup plus efficace qu’une réception intérieure, quelle que soit l’antenne intérieure utilisée, par le seul fait que le signal n’a pas à subir les pertes causées par la pénétration des murs.

Réception intérieure

Si la réception intérieure est la seule option, il y a quelques règles à observer :

  • Pour combattre les micro-réflexions :
    • placez l’antenne dans la fenêtre ;
    • utilisez une antenne directive (antenne gauche).
  • Pour combattre le bruit causé par l’activité humaine :
    • Éloignez l’antenne des appareils pouvant causer du bruit électrique, tels que :
      • Les téléviseurs, récepteurs, lecteurs DVD, téléphones, imprimantes, ordinateurs, etc.
    • Branchez le téléviseur et le décodeur (s’il y a lieu) sur la même prise électrique.

Antennes typiques pour la réception intérieure

Conclusion

La réception de la télé numérique est possible en observant les règles élaborées ci-haut. Une réception extérieure, si minimaliste soit-elle, livrera des résultats supérieurs, surtout en termes de fiabilité. Une réception intérieure est possible, principalement si vous demeurez dans le voisinage de la station émettrice, mais, par contre, elle n’est jamais garantie.

References

[i] Advanced Television Systems Committee http://www.atsc.org/cms/index.php (site disponible exclusivement en anglais)

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