Brevet FR2615338A1 — publié le 19881118

La présente invention est relative à la transmis- sion d'informations et d'énergie par câbles électriques. Dans certains cas on a à transmettre d'un poste à un autre des informations multiples (ordres de commande, signaux de capteurs) et de l'énergie électrique sous diverses tensions et fréquences. On utilise habituellement pour cela, de préférence à plusieurs câbles électriques distincts, des câbles à multiples conducteurs dont certains, pour transmet- tre des signaux à haute fréquence, peuvent être arrangés en coaxiaux ou en lignes bifilaires blindées. Dans certains domaines d'application, tels que les transmissions sousmarines, on souhaite réduire au maximum le nombre des conducteurs de manière à pouvoir réaliser un câble plus économique, compact et de petit diamètre. La compacité associée à une parfaite symétrie de fabrication permet d'avoir un câble résistant mieux aux efforts de traction et de choc, éventuellement de flexion alternée (passage sur des poulies) et de pression due à l'immersion en profondeur. Le petit diamètre est intéressant pour réduire dans l'air le poids du câble,et dans l'eau les efforts hydrodynamiques dus au courant et à la vitesse de déplacement. A la limite le câble peut avoir seulement deux con- ducteurs à condition qu'ils soient arranrgés en un coaxial dans lequel passent des signaux superposés mais à diverses hautes fréquences porteuses. A la réception à une extrémité du coaxial, les signaux aux diverses fréquences sont séparés par des filtres; une énergie à basse fréquence est trans- mise directement. C'est la technique bien connue du multi- plexage. Elle est préférée à la technique de la transmission séquentielle des signaux ou de l'énergie, qui présente de sérieuse limitations. Dans un domaine technique autre que celui des câbles, avec une application très étendue, par exemple à la chrono- métrie, on connait les oscillateurs à quartz. Ils fournis- sent des signaux électriques à fréquence mieux définie que celle des circuits oscillants classiques à self et conden- sateur, qui peuvent dériver. Pour ajuster la fréquence de ces oscillateurs, on peut y introduire un circuit équivalent à un condensateur, qui fixe leur impédance de charge, et une résistance variant avec la température dite "thermistance" qui les rend insensibles aux variations de température. On obtient ainsi des oscillateurs de grande précision qui ont une bonne stabilité à long terme en ne nécessitant aucun entretien. Ils trouvent leur application privilégiée dans les domaines aérospatial et de l'armement. On les désigne sous l'appellation TCXO (Température Compensated Crystal Oscillator). Un premier but de l'invention est de réaliser un dispositif précis et fiable de transmission de signaux élec- triques par câble monocoaxial, utilisant un oscillateur TCXO. L'invention a également pour but de réaliser un tel dispositif: - permettant de transmettre des signaux provenant de plusieurs voies, dans l'un et l'autre sens, par multiplexage fréquentiel; - permettant la transmission d'énergie moyenne ten- sion en mélangeant le courant de puissance à celui du signal, ou des signaux venant du multiplexeur; - permettant la transmission d'un signal analogique d'une fréquence inférieure à 10 kHz, ou un signal numérique d'une fréquence inférieure à 9.600 bits/seconde. Pour réaliser le premier but ci-dessus, suivant l'invention on utilise un modulateur d'amplitude adapté pour délivrer un signal modulé en amplitude sur une fréquence déterminée, et l'invention a pour objet à cet effet un modu- lateur d'amplitude caractérisé en ce qu'il comprend en com- binaison un oscillateur TCXO, un mélangeur et un filtre passe-bande à quartz. Le signal à transmettre est multiplié dans le mélan- geur par le signal de l'oscillateur, et le produit obtenu est filtré par le filtre, passe-bande qui délivre ainsi un signal de sortie modulé en amplitude sur une fréquence déter- minée. A l'autre extrémité du câble un modulateur d'amplitude identique restitue le signal analogique ou numérique fourni à l'entrée. L'invention a en conséquence également pour objet un dispositif de transmission de signaux analogiques ou nu- mériques par câble monocoaxial, caractérisé en ce qu'il comporte à chaque extrémité du câble un modulateur d'ampli- tude tel que défini ci-dessus. Suivant une autre caractéristique de l'invention le dispositif de transmission tel que défini ci-dessus, comprend, à chaque extrémité du câble, plusieurs desdits modulateurs d'amplitude, ayant chacun un oscillateur TCXO de fréquence différente, et un multiplexeur. Grâce à cet agencement il est possible de transmet- tre des signaux provenant de plusieurs voies, dans un sens ou l'autre. A la sortie du câble les filtres passe-bandes des différents modulateurs d'amplitude répartissent les si- gnaux vers les différentes voies. Suivant encore une autre caractéristique, le dispo- sitif comprend un séparateur à chaque extrémité du câble. D'une façon avantageuse, il est prévu un transforma- teur à l'une ou aux deux extrémités du câble. On peut ainsi transmettre une énergie en moyenne tension en mélangeant le courant de puissance à celui du ou des signaux de sortie du multiplexeur; le séparateur à la sortie du câble séparant les courants. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 est un schéma d'un oscillateur à quartz compensé en température, ou TCXO, connu. La figure 2 est un schéma d'un modulateur d'ampli- tude suivant l'invention. La figure 3 montre comment un signal analogique d'entrée fournit un signal de sortie modulé en amplitude. La figure 4 est un schéma synoptique d'un dispositif de transmission suivant l'invention, à câble monocoaxial. La figure 5 est un schéma synoptique d'un dispositif suivant la figure 4, modifié pour la transmission de signaux provenant de plusieurs voies. La figure 6 est un schéma synoptique d'une variante pour la transmission simultanée d'un courant de puissance et - de signaux. La figure 7 est un schéma d'un oscillateur à quartz compensé en température et commandé en tension, ou VCXO, connu. La figure 8 montre comment un signal analogique d'entrée modulé par un VCXO fournit un signal de sortie modu- lé en fréquence, ainsi que son analyse spectrale. La figure 9 est un schéma d'un mode de réalisation d'un dispositif suivant l'invention, permettant en outre la transmission de signaux analogiques de fréquence inférieure à 10 kHz ou d'un signal numérique de fréquence inférieure à 9.600 bits/seconde. La figure 10 montre l'analyse spectrale des diffé- rents signaux. En se référant à la figure 1, on a représenté un oscillateur connu à quartz compensé en température, ou TCXO, désigné dans son ensemble par la référence 1, qui comprend une thermistance 2 et un amplificateur 3 d'excitation et de détection. La résistance de la thermistance varie avec la température d'une manière opposée à celle d'un quartz 4, de telle sorte que le signal de sortie a une fréquence Fi réglée par un condensateur ajusté 5 et qui est parfaitement définie et stable dans le temps. En se référant à la figure 2, on a représenté un modulateur d'amplitude suivant l'invention désigné dans son ensemble par la référence 6, qui comprend un oscillateur TCXO 1 dont le signal de sortie est appliqué à une entrée d'un mélangeur 7 et un filtre passe-bande 8 à quartz. La figure 3 montre comment un signal analogique d'entrée (a) à créneaux d'amplitude V, multiplié dans le mélangeur 7 par le signal de l'oscillateur 1 à la fréquence Fi produit un signal (b) qui est filtré par le filtre passe- bande 8 à quartz et fournit un signal (c) modulé en amplitude. On a représenté à la figure 4 un dispositif de transmission suivant l'invention par câble monocoaxial 9 qui comprend un modulateur d'amplitude 6 à chaque extrémité du câble. Dans l'un ou l'autre sens, le signal de sortie (c) est restitué sous sa forme initiale (a) par le modulateur d'amplitude 6 de sortie. La figure 5 montre l'utilisation de plusieurs modu- lateurs d'amplitude 6 dans un dispositif modifié pour la transmission de signaux provenant de plusieurs voies. Ce dispositif comprend, à chaque extrémité du câble monocoaxial 9, plusieurs modulateurs d'amplitude identiques 6a, 6b, 6c, 6d,.... 6n dans lesquels.les oscillateurs TCXO 1 ont des fréquences différentes F1,F2, F3, F4, ces modulateurs d'amplitude étant associés à un multiplexeur 10, également à chaque extrémité du câble 9, pour un multiplexage fréquen- tiel des signaux. A la sortie du câble les filtres des modu- lateurs d'amplitude répartissent les signaux vers les dif- férentes voies. Suivant encore un autre mode de réalisation de l'in- vention représenté à la figure 6, le dispositif de transmis- sion est analogue à celui de la figure 5, mais comprend en outre un séparateur 11 à la sortie de chaque multiplexeur 10 et un transformateur 12 pour fournir un courant de puis- sance sous une ou plusieurs basses tensions. Ce courant de puissance est mélangé à celui du ou des signaux dans le séparateur, permettant ainsi la transmis- sion simultanée de signaux et d'énergie moyenne tension. Suivant encore une autre application de l'invention, on peut associer un ou plusieurs modulateurs d'amplitude 6, chacun à un modulateur de fréquence, pour la transmission d'un signal analogique d'une fréquence inférieure à 10 kHz, ou d'un signal numérique de fréquence inférieure à 9. 600 bits/ seconde. On utilise dans ce but un modulateur de fréquence 13 représenté à la figure 7, qui comprend comme l'oscillateur TCXO une thermistance 2, un amplificateur 3 d'excitation et de détection et un cristal 4, mais dans lequel le condensa- teur ajusté pour fixer la fréquence est remplacé par un cir- cuit de commande 14 équivalent à un condensateur variable. La capacité de ce condensateur est fonction de la tension d'un signal analogique ou numérique de commande. Cet oscillateur de grande précision commandé en ten- sion qui a, comme le TCXO, une bonne stabilité à long terme en ne nécessitant aucun entretien est désigné sous l'appel- lation VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator). Avant d'entrer dans le mélangeur du modulateur d'amplitude, à la place du signal analogique ou numérique à moyenne fréquence ci-dessus, le signal modulé transite par un filtre à quartz passe-bande 15 qui élimine les harmoniques. On a représenté à la figure 8 comment un signal analogique à l'entrée, par exemple en créneaux d'amplitude V (a), modulé par le VCXO de fréquence porteuse Fo à la fréquence AF proportionnelle à V et filtré par le filtre (15) pour éliminer tous les harmoniques d'un créneau, fournit un signal de sortie modulé en fréquence (b). Cette figure montre égale- ment l'analyse spectrale du signal qui se traduit par une bande Fo à F0 + AF o l'on voit une ondulation correspondant à la superposition des réponses des divers éléments composant le filtre à quartz (c). La fréquence est, dans le temps, al- ternativement Fo et Fo + AF à la base fréquence des créneaux. L'intérêt d'utiliser un modulateur de fréquence as- socié à un modulateur d'amplitude conformément à l'invention est le suivant. Un modulateur de fréquence à base de VCXO, est par son circuit de commande, un composant co teux et re- lativement difficile à approvisionner alors qu'un modulateur d'amplitude à base de TCXO est un composant meilleur marché et plus courant. Dans le cas d'un multiplexage on pourra avoir plusieurs modulateurs de fréquence tous identiques avec une seule fréquence porteuse et des modulateurs d'amplitude de diverses fréquences porteuses. La manière dont se super- posent les signaux des deux types de modulateurs sera décrite plus loin, en référence à la figure 10. On a représenté à la figure 9 un exemple d'un dis- positif de transmission complexe dans lequel sont associés plusieurs modulateurs d'amplitude 6 suivant l'invention et plusieurs modulateurs de fréquence. Le schéma de ce dispositif est analogue à celui de la figure 6, mais comprend en outre au moins un modulateur de fréquence 13 et un modulateur d'amplitude 6en série aumoins àuuneextrémité du câble 9, et au moins un modulateur d'ampli- tude 6 et un démodulateur de fréquence 16 en série à l'autre extrémité, ou à chaque extrémité. Le schéma peut être de complexité croissante avec, dans tous les cas, associé à chaque modulateur d'amplitude 6 à la fréquence Fi à une extrémité du câble un modulateur 6 identique à même fréquence Fi à l'autre extrémité; tous les modulateurs de fréquence 13 et démodulateurs de fréquence 16sont identiques et à même fréquence Fo. Le multiplexeur 10 et le séparateur 11 sont identiques aux deux extrémités. On a éventuellement un transformateur haute tension / basse tension 12 associé au séparateur 11 à une seule extrémité du câble, correspondant par exemple à un poste ou à un véhicule éloigné au fond de la mer. La figure 10 représentant l'analyse spectrale des divers signaux montre comment le signal à fréquence F2 (a) d'un TCXO 1 multiplié dans un mélangeur 7 par le signal sur la bande Fo à Fo +A F issu d'un modulateur de fréquence 13 commandé en créneaux (figure 8) donne un signal sur plusieurs bandes calées à F2 - FO, F2 + FO, F2 + 2FO etc (b) et, après passage par le filtre passe-bande F2 + FO 8, ne donne plus qu'un signal sur la seule fréquence F2 + FO et de largeur de bande F (c). Par superposition dans le multiplexeur 10 des signaux venant des modulateurs d'amplitude aux fréquences F1, F2 (b) et F3 et addition:dans le séparateur 11 avec un courant d'ali- mentation à 50 Hz on obtient dans le câble monocoaxial, pour un sens de transmission, un courant dont l'analyse spectrale est représentée sur la figure 10 (d). A l'autre extrémité du câble la puissance est séparée des divers signaux par le séparateur 11 et les signaux sont répartis vers les diverses voies par les filtres des modulateurs d'amplitude à fréquence F1, F2 et F3. En conclusion, le premier avantage de l'invention, est une grande fiabilité à rong terme sans nécessité de régla- ge et d'entretien grâce à l'utilisation, d'une part d'oscil- lateurs et de filtres à quartz de grande précision, d'autre part d'un câble monocoaxial. Le deuxième avantage est une relative économie et facilité d'approvisionnement grâce à une conception modulaire avec un seul type de modulateurs de fréquence, un seul type de démodulateur, un seul type, avec fréquences ajustables, de modulateurs d'amplitude, deux mul- tiplexeurs identiques et deux séparateurs identiques. Cette transmission par câble monocoaxial trouve une application privilégiée dans la transmission en toute sécuri- té à un poste éloigné difficilement accessible, telle que la télécommande d'une tête de puits de pétrole au fond de la mer. REVENDICATIONS 1. Modulateur d'amplitude, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un oscillateur TCXO (1), un mélan- geur (7) et un filtre passe-bande (8) à quartz. 2. Dispositif de transmission de signaux analogiques ou numériques par câble monocoaxial, caractérisé en ce qu'il comporte à chaque extrémité du câble (9) un modulateur d'amplitude (6) tel que défini suivant la revendication 1. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractéri- sé en ce qu'il comprend à chaque extrémité du câble, plu- sieurs desdits modulateurs d'amplitude (6), ayant chacun un oscillateur TCXO (1) de fréquence différente, et un multi- plexeur (10). 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractéri- sé en ce qu'il comprend un séparateur (11) entre le multi- plexeur (10) et le câble (9). 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractéri- sé en ce qu'il comprend un transformateur (12) à l'une ou aux deux extrémités du câble (9). 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractéri- sé en ce qu'il comprend, en outre,au moins un modulateur de fréquence (13) et un modulateur d'amplitude (6) en série à au moins une extrémité du câble (9), et au moins un modulateur d'amplitude (6) et un démodulateur de fréquence (16) en série à l'autre extrémité, ou à chaque extrémité.