Hard du Hard • Comprendre sa connectique informatique

À quel point nos câbles informatiques influencent le fonctionnement de nos périphériques ?

C'est la période du changement dans les connectiques vidéo avec l'arrivée de la 8k et de la HDR à foison. Mais vous n'arrivez plus à vous y retrouver avec tous ces câbles ? Et vous ne comprenez pas les écarts aussi énormes de tarif entre le no-name chinois de chez Amazon et le top moumoute de chez Real Cable ? Et si, au final, nous vous disions que ce n'est pas seulement du marketing, mais que les câbles sont importants dans certaines situations, ça vous en boucherait un sérieux coin. Aller hop, nouveau sujet du hardos à la dure.

Quelques bases : pertes et problèmes de transmission

Pour commencer, est-ce si important de parler de la qualité des câbles ? Avec l'ère du numérique, les défauts de transmission sont facilement corrigibles, non ? Ce n’est pas si simple dans la réalité : avant toute chose, même si nous communiquons via du numérique, un passage par l'analogique est toujours présent. Ce dernier induit des possibles pertes dans notre transmission. Fréquence de fonctionnement, modulation du signal, latences... que de points qui existent ici et qui peuvent parfois mener la vie dure à nos équipements. Mais attention, tout n'est pas impacté par ces défauts : seules les transmissions sensibles ou pouvant pousser nos équipements à leurs limites sont à risque.

Ainsi, il sera quasiment impossible de malmener une connexion USB 3.0 avec un câble de 1 m, peu importe sa qualité. N'écoutez pas le marketing sur certains périphériques sur le sujet : jamais vous ne rencontrerez de soucis sur des mulots ou des claviers - sauf câble vraiment pourri ou cassé - par contre, comme nous allons le voir, la situation est différente dans bien d'autres cas : vidéo, réseau et audio. En particulier, l'audio est d'autant plus sujette à ces aléas, car même si la transmission s'effectue à basse fréquence, son caractère analogique la rend très sensible, n'en déplaise au S/PDIF n'ayant pas percé dans nos salons.

Autre point important : les connexions numériques sont basées sur des fréquences plus ou moins élevées correspondant à plusieurs facteurs, et n'allez surtout pas penser que fréquence de transmission = vitesse de transmission en bits / seconde. Il est en effet appliqué une modulation qui permet de transmettre plusieurs bits d'un coup sur un unique tic d'horloge, et ce même sur une connexion série. C'est de cette manière que des fréquences de l'ordre de la dizaine de mégahertz peuvent transporter des centaines de mégabits sur une ligne. Cependant, si jamais vous avez des perturbations sur le canal de transmission, il faudra corriger les erreurs et attendre de nouveaux paquets pour assurer un signal correct : vous aurez donc une latence supplémentaire à la réception, augmentant ainsi le ping (réseau) ou le délai d'affichage de l'image sur votre écran : coucou les baisses de FPS !

Premier fléau : le gainage de mauvaise qualité

La différence entre d'un côté un fil hyper fin et souple et de l'autre un câble rigide possédant grosse section est simple : l'isolant utilisé et sa mise en forme. Si nous en parlons, c'est que tout simplement les éléments constituant un câble électriquement parlant ne sont pas limités à un simple conducteur, mais un ensemble de paramètres : 

Modèle électrique d'un câble métallique

Sur le schéma ci-dessus, un bon nombre de paramètres sont visibles dont voici la signification : 

• Rx : Résistance linéique des conducteurs, exprimée en Ohm/m
• Lx : Inductance linéique des conducteurs, exprimée en H/m
• Cx : Capacité linéique de l'isolant, exprimée en µF/m
• Gx : Conductance linéique de l'isolant, exprimée en S/m

Ici ce sont les deux derniers paramètres qui nous intéressent pour l'isolant. La conductance est tout simplement la mesure du fait que le courant peut réussir à passer à travers l'isolant : pas besoin de plus d'explications pour vous dire qu'elle doit être très faible afin d'assurer une bonne séparation entre chaque fibre de notre câble.

La capacitance, matérialisée par Cx, est un effet plus délicat proche électroniquement d'un condensateur. Créé par les imperfections du matériau selon les fréquences (perméabilité électrique, rétention des charges ou impureté), nous pourrions vous abreuver de nombreux détails à son sujet, mais ce serait bien trop lourd à faire en une fois. Pourtant, cet effet est le plus important ici. Ajouté à la résistance et l’inductance du conducteur, et à l'impédance de la source en entrée du câble - amplificateur, émetteur, transformateur... - un effet de filtre passe-bas se forme, tuant petit à petit les hautes fréquences. Le pire étant qu'avec la distance, l'effet est démultiplié, car cette capacitance est proportionnelle à la longueur du câble. Pour réduire cette capacitance, il existe deux solutions qui sont à combiner dans le meilleur des mondes : choisir des matériaux avec une capacité linéique faible - PTFE, papier huilé, tissus... - et tout simplement augmenter l'épaisseur de celui-ci. C'est pour cela que, souvent, les problèmes de câbles no-name trop fin et trop souple apparaissent pour des longueurs "importantes" (dès que vous chercher à éloigner votre TV, en somme) : un câble qui dépasse le mètre se doit d'être correctement isolé pour éviter que des capacités apparaissent entre chaque brin, sinon adieu la transmission. De manière générale, les câbles à l'apparence plus rigides et plus épais sont souvent - mais pas systématiquement - mieux isolés, de même que les meilleurs isolants sont souvent plus coûteux à l'intégration. Mais parfois cela ne suffit pas et malgré les efforts nous trouvons des limites de distance qui nous freinent dans la diffusion de la coupe du monde dans le jardin ou dans les LAN party.

Les limites des matériaux des câbles et connecteurs

Pour commencer, les effets du conducteur se font ressentir très souvent après ceux de l'isolant. Un câble de mauvaise qualité aura beau être plaqué d'or et d'argent, ça ne vous changera pas la vie. Gardez-le bien ancré dans votre mémoire, ça vous aidera contre le marketing. Passons maintenant à l'intérêt de ces ornements, et abordons deux soucis ici qui sont facilement rencontrés dans les câbles destinés à de la longue portée : l'effet de peau et l’oxydation des matériaux.

Le premier est un phénomène électromagnétique qui apparaît en haute fréquence, donc son effet sera limité sur les câbles audio - mais pas inexistant pour autant. À haute fréquence, les électrons ont tendance à circuler uniquement vers l'extérieur du conducteur, augmentant de fait la résistance linéique de celui-ci et produisant un effet inductif. Ce dernier n'est par contre pas totalement similaire à une bobine, mais caractérise une augmentation d'impédance avec la fréquence, qui s'ajoute en série au câble. Cette résistance ne fonctionnant que pour une fréquence donnée et l'épaisseur de peau étant souvent considérée comme largement inférieure à celle du conducteur dès que l'on dépasse les 10 MHz, nous obtenons la formule suivante : R = (l.ρ)/(π.d.σ) avec : 

• R la résistance à la fréquence donnée
• l la longueur du câble
• ρ la perméabilité magnétique du matériaux
• d le diamètre de la section
• σ l'effet de peau du matériaux

Bien entendu, l'élément prédominant est le diamètre du câble et le métal utilisé - niveau qualité de fabrication. Un câble long demandera plus de soin à la conception et, pour information, l'argent est le meilleur candidat puis vient le... cuivre qui est en théorie meilleur que l'or. En théorie uniquement, car il a besoin d'être pur et, là aussi, la qualité joue énormément sur le prix de fabrication. Pourquoi alors utiliser de l'or ? La réponse juste après !

Appliquer un placage en or pur permet non pas d'améliorer la qualité du signal, mais de garantir sa stabilité dans le temps

L'autre point important est l'oxydation, et c'est là que l'or vient faire ses preuves. En effet quasiment tous les métaux oxydent (à par quelques exceptions, tel le chrome, le nickel...) et celui qui dispose de la meilleure conductivité dans ce domaine n'est autre que l'or pur. S'il n'est pas le plus abouti pour réaliser des câbles, sur le long terme il fait un parfait connecteur qui ne sera pas perturbé. Attention par contre au marketing, cette règle est valable surtout pour les transmissions hautes fréquences, en transmission audio son influence est plus faible, par conséquent un placage argent ou un argent-cuivre en alliage est tout aussi efficace... tout en étant moins cher. Car le placage ne doit pas être le simple collage d'une pauvre feuille d'or, mais bel et bien l'ajout d'une petite épaisseur constante du métal doré.

La transmission active, késako ?

Dans certains cas, le câble n'est pas le seul fautif dans l'affaire. Problème fréquent en audio - mais observable encore plus sur les câbles vidéo - l’adaptation des impédances est un vaste sujet dans les transmissions de signaux. Faisons très simple : les sources ne sont jamais parfaites et les câbles non plus, ce qui veut dire que l'ensemble finit par créer une impédance sur toute la chaîne de transmission qui se répercute à la réception sur la charge. Entre l'impédance induite en transmission et l'impédance de charge, nous allons donc générer une sorte de pont diviseur en tension, réduisant la qualité du signal : 

Modèle complet d'une chaîne de transmission

Si, dans de petites distances ou les longueurs faibles, le phénomène se voit rarement, il convient de réadapter l'impédance de la source afin d'éviter son interaction avec les défauts du câble (par exemple sa capacité linéique, vue plus haut). Et pour ça rien de plus simple, il suffit de réamplifier le signal correctement afin de réduire son impédance : il s'agit de ce que l'on appelle une amplification en courant. Le principe consiste à conserver un gain unitaire en tension par la réinjection due à l'identique signal tout en abaissant drastiquement son impédance de source. C'est un peu comme passer une sortie de 600 Ohms sur votre prise casque à une sortie de 32 Ohms tout en gardant le même signal. Bien entendu, celui modifie la puissance finale vue par la source, ce qui, dans le cas d'un câble, ce ne sera pas un problème.

Il est fréquent de rencontrer ce genre de système sur les connectiques de haute qualité en HDMI ou DisplayPort par exemple. La mise en œuvre est d'autant plus facile que le câble transporte des lignes d'alimentation qui peuvent être utilisées pour intégrer un amplificateur dans le câble sur chaque extrémité - car oui, li en faut un dans chaque sens tout de même - et permettre le maintien des débits corrects même sur une longue ligne. Dans le cadre de la nouvelle révision du DisplayPort 2.0, le standard demande même l'utilisation systématique de câbles actifs pour obtenir le meilleur débit possible. Autre méthode, dans les transmissions réseau, les câbles Ethernet sont souvent associés à des répéteurs qui permettent de conserver le débit sur plusieurs centaines de mètres sans recourir à l’utilisation de fibres optiques.. Bien qu'à un certain moment les transmissions par voie métallique deviennent limitées.

Dans les situations les plus hardcores, le problème peut tout simplement provenir d'un adaptateur de mauvaise facture...

Vers d'autres méthodes que le câble métallique

Du coup, si l'on veut utiliser un câble de plusieurs mètres, il faut forcément passer par la case tirelire ? Oui, sans hésitation. En effet, comme vu précédemment, la plupart des protocoles de transmission sont exploités via des câbles électriques "classiques" sous différents formats, mais partageant une structure similaire : conducteur et isolant. Les câbles les plus chers manufacturés par les fabricants les plus reconnus sont souvent soignés et permettent de ne pas subir ces problèmes, garantissant les meilleurs débits et performances qu'importent les situations. Cependant, d'un autre côté, un câble basique fera tout à fait le boulot si vous n'en demandez pas trop (particulièrement en distance), mais ne cherchez tout de même pas à jouer en 8K HDR avec pour autant, le confort de jeu risque sévèrement d'en pâtir.

Nous avions déjà parlé des câbles permettant une transmission optique dans l'annonce de Black Box

Et la fibre optique dans tout ça, doc ? Il y a bien déjà eu des projets dans le domaine de la vidéo, mais elle reste bien plus connue de par sa présence dans les réseaux publics. Cela s'explique aisément : elle reste très chère et fragile à l'emploi, la limitant aux structures professionnelles et fixes. Une autre solution est de se baser sur des réseaux hertziens - Wi-Fi voire protocole maison - pour les transmissions longue distance, mais, similairement, les soucis entre débits, puissance de transmission et influence de l'environnement ne sont pas forcément plus simples à gérer. Il faut même souvent faire usage de compression pour garantir la fiabilité de la liaison... pas vraiment du plus simple. Du coup, plutôt que de chercher à voir ailleurs, laissez le temps à la technologie de se développer davantage ; et surtout faites attention à vos achats car un bon câble résout parfois bien des problèmes.

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