Brevet FR2467512A1 — publié le 19810417

La présente invention concerne les systèmes de trans- mission par fibres optiques. Les systèmes actuels sont de deux types: les systèmes en temps réel dans lesquels ou bien on partage la bande passante disponible en canaux de largeur suffisante pour permettre la transmission de la bande utile, ou bien on utilise des lumières de couleurs différentes à l'émission et des filtres à la réception. Des combinaisons des deux sont possibles. Les systèmes en temps partagé dans lesquels chaque canal est codé puis transmis séquen- tiellement surla ligne. La cadence de transmission est beaucoup plus élevée que la plus haute fréquence de la bande utile à trans- mettre. Lés systèmes en temps réel sont affectés par les non- linéarités à tous les niveaux de lav.oie de transmission qui pro- voquent des battements parasites. Ceux en temps partagé posent de graves problèmes de synchronisation et de décommutation. Dans le système proposé, le spectre de l'information à transmettre est étalé sur toute la bande passante disponible à l'émission. Ceci est réalisé pratiquement en modulant un signal aléatoire par l'information à transmettre. A la réception on intercorrèle le signal reçu avec une copie conforme du signal aléatoire utilisé à l'émission, recréé localement. En pratique, on utilise des codes "pseudo-aléatoires". Ce système est connu sous le nom des systèmes à "étalement de spectre". Les avantages sont nombreux L'émission et la réception peuvent être simultanés sur une même voie de transmission; Les non-linéarités n'affectent pas de façon prépon- dérante les résultats; Pas de problème de synchronisation de format. Dans la transmission d'impulsions lumineuses par fibres optiques, l'information à transmettre module l'intensité lumi- neuse d'une source (diode électro-luminiscente, laser). La lu- mière modulée est injectée dans une ou plusieurs fibres qui la guident avec une faible atténuation jusqu'à l'utilisation o elle est convertie, de nouveau, en énergie électrique par un détecteur (photodiode PIN ou en avalanche). Les avantages sont nombreux et importants: isolation électrique, pas de rayonnement radio-fréquences, très faible atténuation (actuellement 2 db/km) et très grande bande passante (2 GHz présentement). Le dispositif suivant l'invention a pour but d'améliorer les caractéristiques de transmission en combinant l'application de la technique de l'étalement de spectre avec la transmission par fibres optiques. L'intérêt d'une telle association est évident lorsque l'on sait que le gain di processus (PG.) d'étalement de spectre peut être évalué par le rapport entre la bande passante du signal à transmettre (BS) et la bande passante du code pseudo-aléatoire (BN). BN PG =- BS Le gain du processus PG exprime en quelque sorte le rapport signal/bruit intrinsèque du système. Par exemple, si BN = 10 MHz et BS = 5000 Hz PG = 0,2 10 = 2000 5.103 En pratique cela signifie - qu'un signal brouilleur est rejeté dans le rapport 1 à 2000; - - que deux abonnés utilisant simultanément la ligne se perturbent mutuellement de 1/2000 par rapport au signal utile. L'exemple choisi n'est pas limitatif et l'on peut imaginer, notamment dans le cas du téléphone, une liaison présentant les caractéristiques suivantes: - BS = 2500 Hz (de 50 Hz à 2500 Hz bande téléphone) BN = 1 GHz (fibre à gradient d'indice) PG = = 400.000 2,5.103 Cela signifie que 400.000 abonnés pourraient communiquer simultanément sur la même ligne, à condition qu'ils puissent exploiter un rapport S/B = 1. Autre intérêt de l'association fibres optiques/étalement de spectre: - Les réflexions dans la ligne de transmission sont traitées comme des bruits dans la mesure o leur retard permet au correlateur de les rejeter. - La bande passante, elle-même, des fibres optiques est limitée par deux phénomènes: La dispersion du matériau. Elle est due à la variation de la vitesse de propagation de la lumière en fonction de la longueur d'inde. La dispersion de modes. Les modes d'ordres élevés se propagent plus lentement que les modes d'ordres faibles. Dans la mesure o ces phénomènes ne sont pas corrélés avec les codés pseudo-aléatoires utilisés par les abonnés, ces dispersions seront rejetées dans le rapport du gain du processus. Cela devrait permettre d'élargir d'autant la bande passante. Le dispositif objet de l'invention permet de réaliser divers types de liaisons telles que Figure 1, liaison à sens unique à étalement de spectre qui permet de transmettre des informations d'un point à un autre, en ambiante très perturbée, dans un seul sens (capteur envoyant des informations à un organe de traitement). Figure 2, liaison bilatérale sur une seule ligne à étalement de spectre pour l'échange d'informations entre deux points dans les deux sens en ambiante très perturbée (calculateur dialoguant avec un périphérique). Figure 3, liaison à accès multiples simultanés à étalement de spectre pour l'échange d'informations dans les deux sens entre plusieurs périphériques et un organe central de trai- tement ou entre plusieurs abonnés pris deux par deux sur une même ligne (calculateur dialoguant avec plusieurs périphériques ou réseau téléphonique). Figure 4, liaison à accès multifes simultanés à réseau maillé et étalement de spectre qui permet des liaisons avec plus de sécurité de fonctionnement telles que par exemple pour les "bus" de transmission de données à bord d'aéronefs. La figure 5 est un schéma synoptique d'émetteur à étalement de spectre. La figure 6 est le schéma d'un récepteur. Dans une liaison à sens unique à étalement de spectre par fibres optiques, tel que représenté figure 1, on peut admettre une cadence maximale du signal à transmettre de BS = 10 K bits et BN =-30 M bits pour le débit maximal du générateur pseudo- aléatoire autorisé par la liaison optique. Le gain du processus est alors de PG =BN - 30.10 3000 La partie émission est constituée d'un multiplicateur logique 1 (ou exclusif par exemple) sur les entrées duquel sont appliqués le signal S à transmettre préalablement numérisé sous forme série et le signafi issu d'un générateur de séquencespseudo- aléatoires également sous forme série à une cadence de 10 M bits. Le signal résultant est amplifié par un ampli 2 puis appliqué à une diode électro-luminiscente rapide 3 (DEL) ou à un laser à l'arséniure de gallium par exemple. La ligne de transmission est constituée par une (ou plusieurs) fibres optiques 4 à faibles pertes. A une extrémité, un couplenr optique 5 la relie à l'émetteur, à l'autre extrémité, un coupleur du même type 5' la relie au récepteur. La partie réception compotte une photodiode 6 "PIN" qui réalise la conversion des impulsions lumineuses reçues en impulsions électriques. Un amplificateur 7 à faible bruit amène le signal à un niveau compatible à celui requis par les étages de traitement suivants. Le dispositif essentiel est un corrélateur aux entrées duquel on applique le signal issu des étages d'entrée du récepteur et le signal fabriqué par un générateur de séquence pseudo- aléatoire 9 identique à celui 9' de l'émetteur dont l'horloge 10 est synchronisée avec celle 10' du générateur de séquences d'émission. A la sortie du corrélateur un détecteur à seuils 11 restitue la forme du signal S appliqué à l'entrée de l'émetteur. Dans le cas d'une liaison/àouble sens sur une même ligne (figure 2), à chaque extrémité de la ligne on trouve à la fois un émetteur 12 et un récepteur 13 à étalement de spectre, identique à ceux décrits plus haut, couplés à la ligne de transmission au moyen d'un coupleur en Y 14. L'émission et la réception peuvent être simultanées sans se perturber mutuellement; dans certaines configurations il n'est pas nécessaire que le coupler soit directif, ce qui est cependant préférable dans le cas général. L'information, dans ce cas, circulera dans le sens émetteur vers ligne et dans le sens ligne vers récepteur mais sera bloquée bilatéralement entre émetteur récepteur. Un émetteur à une extrémité de la ligne de transmission sera reçu par le récepteur associé, à l'autre extrémité, à condition qu'ils soient synchronisés sur la même fréquence pseudo- aléatoire A. La liaison pourra avoir lieu en même temps dans l'autre sens à condition que l'autre couple émetteur-récepteur soit syn- chronisé sur une même séquence pseudo-aléatoire B différente de la première et à condition, bien sûr, de travailler en bande de base. Pour une liaison à accès multiples simultanés à étalement de spectre par fibres optiques telle que représentée figure 3, chaque poste d'abonné comporte un émetteur 12, un récepteur 13 et un coupleur 14. Un poste est identifié par la séquence pseudo-aléatoire unique de son émetteur. Lorsqu'un récepteur veut se mettre à l'écoute d'un émetteur particulier, il lui fait recréer une réplique exacte et synchronisé de la séquence pseudo-aléatoire de l'émetteur concerné. Son corrélateur extraira le signal correspondant à cet émetteur, et à lui seul, de tous les autres présents à ce moment sur la ligne dans le rapport du gain du processus PG (3000 dans notre exemple). Pour diminuer les risques de corrélation parasites des mesures particulières seront prises: - Les horloges des générateurs de séquences pseudo- aléatoires de chaque émetteur seront câblées sur des fréquences sensiblement différentes, premières entre elles. - Les séquences pseudo-aléatoires, identifiant les abonnés, seront choisies de longueur maximale, compatible avec un temps d'acquisition de la synchronisation acceptable. - Les séquences seront choisies de façon à présenter entre elles le minimum de corrélations parasites. Dans une liaison maillée à étalement de spectre par fibres optiques (figure 4) afin d'accroître la sécurité de transmission, dans l'hypothèse d'une rupture de la ligne de trans- mission optique, une structure a chemins multiples maillée est adoptée. Chaque poste d'abonné ne diffère de ceux précédemment décrits que par le coupleur. Celui-ci est remplacé par un mélan- geur optique à plusieurs voies. Si l'un des chemins s'interrompt, l'information peut toujours transiter en empruntant une autre voie. L'inconvénient d'une telle structure réside, outre sa complexité, dans la création d'échos en fonctionnement normal. Supposons: - que chaque abonné soit raccordé au réseau par un noeud, tel que A,B,C... G chaque noeud, entièrement passif, est constitué par un mélangeur optique et quatre bornes pouvant indifféremment jouer le rôle d'entrée ou de sortie; - que la puissance injectée par une borne d'un noeud considérée comme entrée se répartisse uniformément et totalement (noeud sans perte) entre les quatre bornes. Chacune des trois autres bornes considérée comme sortie recevra 1/4 de la puissance incidente; qu'un seul abonné X émettant un message de puissance Px à destination d'un seul abonné Y connecté au réseau par le noeud E; - que les liaisons entre les noeuds soient sans pertes. Le message de X pourra parvenir à Y: par le chemin AE par le chemin A B C D E par le chemin A B G D E simultanément, d'o les multiples échos signalés plus haut. L'intérêt d'une telle structure est sa fiabilité. Sur la figure 4 on a supposé que la liaison directe AE était coupée et le noeud C détruit. Il reste encore un chemin ABGDE possible pour acheminer le message de X vers Y. On observera que par ce chemin Y ne recevra une puissance dB que de 30/par rapport à Px (au lieu de 6db par le trajet direct AE). Un tel niveau de signal est cependant suffisant pour une transmission correcte par des moyens connus. Le réseau sera maillé de telle sorte qu'aucun abonné n'aura à transiter par plus de cinq noeuds consécutifs pour atteindre son correspondant le plus éloigné. Observons que si un autre abonné Z émet un message de puissance Pz = Px à l'entrée du noeud B, voisin du noeud A, à destination d'un abonné T raccordé au réseau par le noeud F, le récepteur de X recevra simultanément: 35. Une fraction du signal de son propre émetteur de puissance Px (- 6dB) qu'il lui sera facile de reconnaître; Une fraction du signal transmis par l'émetteur de Z de puissance Px (- 12dB) qu'il pourra éliminer par corrélation. 1F6 Supposons que le récepteur de X désire recevoir la réponse de Y et que la puissance Py de l'émetteur de Y = Px. Le récepteur de X recevra en même temps que les deux signaux mentionnés plus haut un message de Y d'une puissance = Px/1024 (-30dB). Le gain du processus (PG) devra donc permettre d'extraire le signal utile du brouilleur avec--18dB en puissance. Comme le gain de processus est de 35 dB, nous avons encore une marge de 17 dB, soit 5 brouilleurs placés dans des conditions identiques à Z. Dans une liaison à étalement de spectre par fibres optiques l'émetteur (figure 5) se compose: - d'un organe de numérisation et de mise en forme 15 de l'information-qui doit sortir en série en logique à deux niveaux. A noter que la numérisation n'est pas impérative car l'information pourrait être transmise sous forme analogique en modulation de durée par exemple, à condition que les niveaux soient compatibles avec la logique. - d'un générateur de code pseudo-aléatôire programmable 16 qui fournit une suite de UNS et de ZEROS dont la distribution est quasi- aléatoire en fonction du temps. C'est-à-dire que le nombre de 1 est égal-au nombre de 0 ainsi que les 11 et 00, 111 et 000 etc..à une unité près. La séquence, qui sert à identifier une fois pour toutes un émetteur particulier à la construction, est choisie, en fonction: du nombre de messagers susceptibles d'émettre simultanément sur la ligne, des interférences et de la vitesse d'acquisition souhaitée de la synchronisation. Elle doit être aussi longue que possible pour se rapprocher des propriétés des géné- rateurs aléatoires, elle doit présenter un pic de corrélation bien net (séquence linéaire) et des niveaux d'intercorrélation avec les autres séquences aussi faible que possible (séquences orthogonales). En pratique, ce générateur peut être réalisé au moyen d'un registre à décalage rebouclé à l'aide d'un ou plusieurs "OU exclusif" ou encore au moyen d'une mémoirr morte. - un modulateur 17 réalise le produit des deux informa- tions que sont: le message et le code pseudoaléatoire. A sa sortie, la phase de la séquence pseudo-aléatoire s'inverse au rythme du message. Pratiquement on utIlise un "OU exclusif". - un adaptateur de puissance 18 réalise l'adaptation en puissance nécessaire pour alimenter un émetteur de lumière 19, (qui peut être une diode électroluminescente ou un laser) trans- formant les impulsions électriques en impulsions lumineuses intro- duites dans la fibre optique 20. Dans le cas d'utilisation d'un laser il peut être nécessaire de retrécier les impulsions afin de respecter le taux de travail du composant. Une contreréaction peut s'avérer utile pour maintenir constante la puissance émise malgré le vieillissement de l'émetteur de lumière. Pratiquement on réalise un amplificateur vidéofréquence dont la bande passante s'étend environ cinq fois au-delà de la fréquence du générateur pseudoaléatoire. Il doit pouvoir, en sortie, fournir un courant suffisant pour alimenter le générateur de lumière c'est- à-dire entre 100 et 300 mA. Le récepteur (figure 6) se compose - d'un transducteur 21 de lumière en courant électrique suivi d'un amplificateur 22 à large bande et muni d'un contrôle automatique de gain. A la sortie dé l'amplificateur, les signaux sont écrêtés; - d'un dispositif d'acquisition de la synchronisation constitué par un filtre passif 23; - d'une boucle d'asservissement 40, destinée à synchroniser l'horloge du générateur pseudoaléatoire, qui comprend: le généra- teur de séquence 24, une horloge VCO 25 dont la fréquence peut être réglée par une tension, un filtre passe bas 26 destiné à filtrer le signal de commande du VCO, un sommateur 27 qui effectue la différence entre les signaux issus de deux corrélateurs 28 et 29 sur lesquels deux retards +Z et - lisont insérés en série dans leur commande référence. Le transducteur doit être d'un modèle adapté aux trans- missions optiques notamment en rapport signal/bruit et en bande passante. On choisira donc une photodiode en avalanche ou une photodiode PIN. L'amplificateur à grande impédance d'entrée (Zi)>.10 Mi) devra pouvoir amplifier une bande de fréquences suffisantes s'éta- lant de deux fois moins que la fréquence la plus basse à cinq fois plus que la plus haute fréquence à transmettre. Il comporte une boucle de contrôle automatique de gain associée à un circuit d'écrêtage de façon à normaliser l'amplitude des signaux à un niveau compatible avec la logique utilisée dans les étages suivants Ce niveau devra demeurer constant dans toute la gamme de variation des signaux d'entrée. Le filtre adapté passif 23 est un corrélateur qui ne nécessite pas d'horloge pour son fonctionnement. Il peut être réalisé à partir d'éléments de ligne à retard LC ou d'un dispositif à onde acoustique de surface. Ces deux solutions ont ceci de commun, c'est qu'elles comportent leur propre référence par rapport à laquelle elles effectuent la corrélation inscrite par câblage dans leur structure. Lorsque le message qui défile tombe en coïncidence avec le profil référence, le filtre adpaté passif dé- livre une impulsion indiquant cette coïncidence. Cette impulsion sert à initialiser la séquence pseudoaléatoire délivrée par le générateur de séquences. Par la boucle d'asservissement de la fréquence d'horloge, la forme d'onde du signal du message est comparée simultanément par deux corrélateurs à deux séquences pseudoaléatoires identiques décalées dans le temps par les deux retards + t et - par rapport à la séquence du générateur.Lorsque la séquence pseudoaléatoire et le message sont rigoureusement synchronisés, les deux corré- lateurs 28 et 29 délivrent des tensions identiques et leur diffé- rence effectuée par le sommateur est zéro. Si la séquence se désynchronise en avance ou en retard par rapport au message, les deux corrélateurs délivrent des tensions différentes, d'o l'apparition d'une tension bipolaire en sortie du sommateur 27. Cette tension est filtrée par le filtre de boucle puis appliquée à la commande du VCO. La phase des signaux est telle que la fréquence du VCO rattrape la fréquence du message dès qu'un écart est constaté. L'horloge (VCO) sert à piloter le générateur de séquences pseudoaléatoires. Le générateur déroule dans le temps une suite de UNS et de ZEROS dont la répartition est rigoureusement identique à celle du générateur de séquences à l'émission. Une fois la synchronisation réalisée, on effectue le produit entre la séquence pseudoaléatoire du générateur local et celle du message à l'aide d'un multiplicateur 30. Un semi-intégra- teur 31 (intégrateur sur la durée d'un bit, remis à zéro en fin de bit) suivi d'un détecteur à seuils 32 restitue le message en sortie. Le dispositif objet de l'invention peut s'appliquer aux transmissions téléphoniques ainsi qu'à tous les domaines concernant les transmissions d'informations au moyen de fibres optiques. ' 2467512 R E V E N D I C A T I O N S 1 - Système de transmission par fibres optiques, carac- térisé par le fait qu'il comprend des moyens émetteurs étalant le spectre de l'information à transmettre sur toute la bande passante disponible à l'émission, des moyens transducteurs de signaux électriques en lumière et inversement et des moyens récepteurs pour identifier un émetteur et en restituer le message. 2 - Système de transmission par fibres optiques, selon revendication 1, caractérisé par le fait que: - les moyens émetteurs consistent en un organe de mise en forme de l'information, d'un générateur de code pseudoaléatoire, d'un modulateur corrélant les divers signaux qui sont ensuite dirigés au travers d'un adpatateur de puissance vers un transducteur de signaux électriques en lumière. - les moyens récepteurs consistent en un transducteur de lumière en signaux électriques suivi d'un amplificateur à contrôle auto- matique de gain, un dispositif de synchronisation constitué par un filtre passif 23 et une boucle d'asservissement 40, et un démodu- lateur comprenant un multiplicateur 30, un semi-intégrateur 31 et un détecteur à seuil 32, pour restituer le message.