Brevet FR2663804A1 — publié le 19911227

i Dispositif de commutation à structure répartie et couplage passif L'invention se rapporte au domaine de la transmission de signaux, et plus particulièrement aux dispositifs de commutation à x entrées et q sorties (q entrées, x étant supérieur à n, et q sorties, ces matrices élé- mentaires étant connectées en parallèle Pour cela les sorties des différentes matrices élémentaires sont couplées aux sorties de la matrice par l'intermédiaire d'un circuit de couplage. On connaît par le brevet N O 88 10875 du 12 août 1988, au nom de la Demanderesse, une structure dans laquelle les matri- ces de commutation élémentaires de la technique antérieure sont reliées en parallèle aux sorties par un circuit de couplage passif constitué de circuits logiques, la commande du dispositif étant effectuée seulement au niveau des matrices élémentaires, et, pour que les connexions non utiles ne perturbent pas l'ensem- ble, les matrices élémentaires sont commandées pour que les sorties non utiles soient non actives par mise à un potentiel neutre. Comme il ressort de la description succincte qui vient d'être faite, un problème dans ce type de dispositifs de commuta- tion est lié à la perturbation des sorties par les signaux, présents sur certaines des entrées, qui ne doivent être trans- mis, à un instant donné, à aucune des sorties. Le circuit de couplage passif décrit ci-dessus, à base de circuits logiques, peut encore par couplage électrique entre des connexions voisines introduire de la diaphonie entre les voies. De plus, une voie peut émettre des rayonnements électro- magnétiques parasites dans les dispositifs d'interconnexion et de couplage et capter du rayonnement électromagnétique exté- rieur Enfin, les matrices élémentaires ne sont pas isolées galvaniquement les unes des autres. L'invention a pour objet un dispositif de commutation qui permet d'éviter les inconvénients des dispositifs de commutation antérieurs, au moyen d'un circuit de couplage optique qui per- met un découplage total entre matrices élémentaires et entre voies de sortie, qui évite la diaphonie entre voies actives et la génération de perturbations électromagnétiques vers l'exté- rieur, et qui de plus est insensible au rayonnement extérieur, phénomènes particulièrement gênants pour les dispositifs desti- nés à la surveillance de réseaux ferrés. Selon l'invention, un dispositif de commutation à struc- ture répartie et couplage passif, comportant x entrées de si- gnaux réparties sur m matrices de commutation élémentaires et q sorties de signaux, les matrices élémentaires étant pourvues de q sorties et les sorties de mêmes rangs étant couplées en paral- lèle à la sortie correspondante par un circuit de couplage sans commande, est caractérisé en ce que le circuit de couplage com- porte des moyens de liaison à fibres optiques associés, côté sorties des matrices élémentaires, à des dispositifs de conver- sion électro-optiques et, coté sorties du dispositif, à des dispositifs de conversion opto-électrique, le couplage parallèle des sorties de même rang des matrices élémentaires étant effectué par des coupleurs à fibres optiques. Le dispositif de commutation selon l'invention est en outre remarquable par les points suivants: les moyens électro-optiques sont avantageusement cons- titués par un amplificateur associé à un élément générateur de rayonnement, ce dernier étant choisi par exemple parmi les diodes électroluminescentes et les dispositifs à laser; les moyens de transfert sont constitués par des cou- pleurs de fibres optiques, agencés soit en bus optique soit en étoile; les moyens opto-électriques sont constitués par des récepteurs optiques associés à des dispositifs d'émission de signaux électriques; toutes les sorties de même rang de chacune des matrices élémentaires sont couplées sur une même fibre optique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limita- tive suivante de formes et de modes de réalisation préférés, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un système de commutation à m matrices élémentaires et couplage par fibres optiques selon un bus optique; La figure 2 est un système de commutation à trois matri- ces élémentaires à couplage par fibres optiques selon une dispo- sition en étoile; La figure 3 est une vue schématique d'un mode de réali- sation de système de commutation à deux matrices élémentaires, pour la commutation de signaux modulés en SPFM (pour Square Pulse Frequency Modulation selon la terminologie anglo-saxonne); La figure 4 est une représentation schématique d'un exemple de modulation par un signal haché; La figure 5 est une représentation schématique d'un mode de couplage mixte électrique et optique; La figure 6 est une vue schématique d'un dispositif électro/optique, utilisable dans la présente invention La figure 7 représente les caractéristiques obligatoires d'un récepteur opto/électrique utilisable selon la présente invention. Dans la forme de réalisation de la figure 1, est représen- té un système de commutation constitué de m matrices élémentai- res M 1 Mj Mm ayant respectivement n, p r entrées recevant respectivement des signaux par les entrées x xi xn 1; x 1 * x ii x pj; xlm im rm pour les transmettre à l'une des sorties Yk yq de la matrice élémentaire correspondante sur commande T 1 Tj Tm res- pectivement Les sorties des matrices sont reliées respective- ment à des dispositifs de conversion électro-optiques 1 consti- tué avantageusement par un amplificateur de signal électrique la coopérant avec une diode électro-luminescente (ou laser) lb Les signaux optiques générés respectivement par les dispositifs lb sont transmis via des fibres optiques Fil Flk F 1 q, F i Fjq et Fml Emq à des coupleurs optiques Cil C 1 k C; C C C; C C C dont les lq' jl jk jq' ml mk mq sorties sont couplées via des fibres optiques F 1 Fk Fq à des dispositifs de conversion opto-électriques 2 Pour le couplage optique, les sorties yk de même rang k des m matrices de connexion élémentaires sont couplées via les fibres F k et les coupleurs associés Cjk' pour j = 1 à m, à une même fibre optique Fk Chaque dispositif de conversion opto-électrique 2 est constitué d'un récepteur optique 2 a et d'un dispositif électrique 2 b convertissant le signal optique issu respectivement des fibres F 1 Fk Fq en signaux de sortie 51 Sk * Sq. Une telle matrice permet de choisir q signaux parmi les x signaux d'entrée des m matrices élémentaires et de les transmet- tre sur les q sorties de la matrice, uniquement par commande au niveau des matrices élémentaires, le circuit de couplage optique étant passif, et une seule des entrées étant connectée à l'une des sorties de rang k, yk à un instant donné Cette matrice permet la commutation de signaux à deux niveaux (signaux logi- ques binaires), ces signaux étant communément représentés par un O logique, ou état bas, ou par un 1 logique, ou état haut. Ainsi, chaque dispositif électro-optique génère un signal opti- que caractérisé par le fait que l'on fait correspondre une ab- sence de signal optique ou une puissance faible P à un niveau O logique et l'émission d'un signal optique de puissance non nulle Pl, supérieure à PO à un niveau 1 logique A la sortie du système, le dispositif optoélectrique 2 permet la conversion du signal optique transmis par les fibres optiques et le dispositif de couplage en un signal électrique caractérisé par le fait qu'il fait correspondre un niveau O logique à la présence d'une puissance optique inférieure à R O et un niveau 1 logique à la présence d'un signal optique de puissance supérieure à R 1 La particularité de ce système de commutation réside dans le fait que l'on couple toutes les sorties de même rang yk de chacune des matrices élémentaires sur une même fibre optique Fk Le dispositif de couplage mis en oeuvre est en fait un simple additionneur effectuant la somme des puissances optiques présentes sur chacune des entrées. Comme on l'a exposé précédemment, une seule des m sorties yk de même rang k des différentes matrices émet un signal à un moment donné Les sorties k de rang k des autres matrices sont inhibées et transmettent un signal O logique sur leur sortie yk De par la caractéristique des émetteurs optiques la, une seule sortie parmi celles des coupleurs optiques de rang k émet un signal à un instant donné, les autres émetteurs la étant inhibés du fait de la présence d'un niveau O logique sur leur entrée En conséquence, chaque récepteur optique 2 a reçoit le signal en provenance de la seule matrice active pour la sortie de rang k à l'instant donné La sélection de l'entrée x sur la sortie Yk se fait donc par commutation de l'entrée xi sur la sortie yk de la matrice M, alors que les sorties yk des matrices de rang différent de j sont mises au niveau O logique. Dans ce dispositif, comme indiqué ci-dessus, à l'émission, le niveau O optique est caractérisé par le fait que la puissance optique est P et le niveau 1 par P 1 Pour que ce dispositif puisse fonctionner, il faut qu'à la réception la puissance optique la plus faible correspondant à un 1, (P 1) i sur une sortie S soit toujours supérieure à la somme des puissances optiques associées à des niveaux O logiques sur toutes les sorties de même rang de toutes les matrices M, j = 1 à m soit: (Pl)j > j(P 0), et ce quel que soit j. Au niveau des récepteurs 2 a, on définit une puissance optique reçue R endessous de laquelle un récepteur délivre un signal O logique, et une puissance optique reçue R 1 au-dessus de laquelle le récepteur 2 a délivre un signal 1 logique Pour que le dispositif fonctionne, il faut que les trois relations suivantes soient respectées OR ( O)j 2 Ro 3 R 1 Une telle matrice de commutation à structure répartie dans des matrices élémentaires et couplage parallèle des sorties des matrices élémentaires via un système de couplage optique et un bus de fibres optiques, permet l'éloignement des structures élé- mentaires de commutation sur des distances importantes Les couplages optiques des matrices élémentaires sont réalisés sur le bus optique regroupant les fibres F 1 Fk Fq J les coupleurs. La figure 2 illustre un second mode de réalisation dans lequel les dispositifs électro-optiques et opto-électriques sont les mêmes que dans le mode de réalisation de la figure 1, mais o le couplage optique est effectué en étoile, c'est-àdire que les sorties des m dispositifs de conversion électro-optiques reliés aux sorties de même rang k des m matrices élémentaires sont reliés à m entrées correspondantes de coupleurs optiques Ck à m entrées et une sortie Les sorties des coupleurs optiques sont reliées chacun à une fibre optique Fk reliée à la sortie correspondante Sk par l'intermédiaire d'un dispositif de conversion opto-électrique 2 Sur la figure 2, trois matrices de commutation Mî, M 2 et M 3 reçoivent des signaux selon les entrées x 1 à xm et ont chacune, comme dans le mode de réalisation de la figure 1, k sorties y 1 Yk Les sorties y 1 Yk de chacune des matrices sont reliées à des dispositifs de conversion électro-optiques 2 comme précédemment Les 3 sorties des dispositifs 2 reliées aux sorties y 1 des matrices sont reliées aux trois entrées d'un coupleur Cl par des fibres optiques respectivement Fil, F 21 et F 31 etc, les trois sorties des dispositifs 2 reliées aux sorties yq des matrices étant reliées aux trois entrées d'un coupleur Cq par des fibres optiques Fql Fq 2, Fq 3 Les sorties des coupleurs C 1 Cq sont reliées via les fibres optiques F 1 F aux dispositifs de conversion opto-électriques de sortie 2 dont les sorties électriques sont 51 Sq. Dans une variante illustrée par la figure 3, le système de commutation est plus particulièrement adapté à la commutation des signaux SPFM (Square Pulse Frequency Modulation), utilisés notamment pour transmettre des signaux vidéo Dans ce mode de réalisation, on a prévu en amont des matrices de commutation élémentaires M 1, M 2, des dispositifs de modulation SPFM destinés à transformer les signaux analogiques d'entrée eil à eni, et e 12 à en 2 en signaux SPFM xl à xnl et x 12 à xn 2 susceptibles d'être transmis à une des sorties Y 1 à yq des matrices M 1 et M 2. Le couplage en parallèle des sorties Y 1 à Yq des matrices sur les sorties 51 à S est effectué de la même manière que dans le 1 q mode de réalisation de la figure 1, par des dispositifs électro-optiques i et opto-électriques 2, via des fibres optiques F 1 l à F 1 q, F 12 à F 2 q couplées respectivement par des coupleurs Cil à Clq C 21 à C 2 q sur un bus de fibres optiques F 1 Fq Après conversion via les dispositifs 7 q. opto-électriques, des dispositifs démodulateurs restituent sur les sorties 51 S des signaux démodulés. Dans la description ci-dessus, on a supposé que la diode électroluminescente présente une caractéristique linéaire Le dispositif de conversion électro-optique i peut être un trans- ducteur électro-optique présentant une caractéristique de transfert différente (non linéaire ou modulée par exemple). On peut également envisager un stade de modulation sup- plémentaire La condition à remplir est d'avoir une seule sortie de rang k des différentes matrices M 1 M Mm active à la fois, les sorties Yk des autres matrices émettant une puissance optique inférieure ou égale à PO' La sortie active pourrait par exemple faire correspondre à un niveau O logique une puissance optique inférieure ou égale à PO et à un niveau 1 logique un signal optique haché entre deux niveaux Pmin et Pmax à une fréquence f déterminée, comme représenté sur la figure 4 o ont été représentés en correspondance les niveaux logiques et la puissance optique émise en fonction du temps. Dans le mode de réalisation de la figure 5, on a représen- té un exemple de dispositif de commutation avec couplage mixte électrique/optique Dans ce dispositif de commutation, deux matrices élémentaires Ml et M 2 sélectionnent des signaux présents sur des entrées x 1 -x 1; x 12 pour les transmettre à des sorties y 1 y Les sorties de même rang de ces deux matrices sont couplées via des coupleurs électriques représentés sous forme de circuits OU logiques G 1 G q Une matrice de commutation M 3 sélectionne des signaux sur ses entrées x 13 xn 3 pour les transmettre à des sorties y 1 Yq de cette matrice Des dispositifs de conversion électro-optiques 1, sont respectivement reliés aux sorties des portes G 1 Gq et aux sorties Y 1 yq de la matrice M Les signaux optiques transmis par les différents dispositifs 1 sont transmis par des fibres optiques associées puis couplés respectivement, au moyen de dispositifs de couplage, à des fibres optiques F 1 Fq jusqu'à des dispositifs opto-électriques 2 Les signaux qui résultent de la conversion opto-électrique sont transmis à des coupleurs portes OU logiques G'1 'Il Gtq électriques, également reliés à des sorties Y 1 yq d'une matrice locale M 4 ayant des entrées x 14 xn 4. Dans une structure mixte telle que décrite ci-dessus, en suivant la même organisation que celle décrite en référence aux figures 1 à 3, toutes les sorties de rang k des différentes matrices sont couplées en parallèle sur une même sortie S k' une seule des sorties de rang k des différentes matrices étant active à la fois Ainsi les sorties y 1 des matrices Ml et M 2 sont couplées via la porte G 1, la sortie de la porte G 1 et la sortie y 1 de la matrice M 3 sont couplées à la fibre optique F 1 via les coupleurs Cl et C 31 ' et le rayonnement optique résultant, après conversion en signal électrique est couplé au signal présent sur la sortie y 1 de M 4 via une porte G'1 pour délivrer le signal à la sortie S Il en est de même pour le couplage en parallèle des sorties Y 2 Yq aux sorties 52 q Un tel système est notamment utilisable sur des réseaux ferrés relativement longs à stations relativement rapprochées, par exemple le métro Une (ou plusieurs) matrice de commutation élémentaire est prévue dans chaque station et ces matrices sont interconnectées sur les fibres optiques d'un bus optique Les liaisons courtes (locales) peuvent être électriques et les liai- sons longues optiques. Ce mode de réalisation est donc un système de commutation à couplage passif mixte, électrique et optique, de matrices élémentaires, qui utilise le fait que seule une sortie de rang k, yk, des différentes matrices élémentaires est active à un instant donné, les sorties des autres matrices élémentaires de même rang étant désactivées par présentation d'un niveau O logique (électrique ou optique). La figure 6 est le schéma d'un dispositif de conversion électro-optique 1 o le signal d'entrée Ve est appliqué à l'amplificateur la, le signal de sortie étant appliqué à une diode électroluminescente lb. Sur la figure 7 sont représentés les différents niveaux de puissance optique Popt tels que définis ci-dessus, à savoir le niveau Pl de puissance minimale associée à un 1 logique sur une sortie de l'une quelconque des matrices élémentaires, la somme >(P)j de toutes les puissances associées au niveau O des sorties couplées des m matrices, la puissance optique reçue R O en dessous de laquelle le récepteur 2 a délivre un niveau O logique et la puissance optique reçue R 1 au-dessus de laquelle le récepteur 2 a délivre un signal 1 logique. Ainsi se trouve résolue selon la présente invention le problème de la sélection de q signaux parmi les x signaux d'en- trée d'une matrice et de leur transfert sur les sorties 51 Sq via des matrices élémentaires couplées en parallèle sur les sorties 51 Sq au moyen d'un circuit de couplage dans lequel les liaisons sont au moins partiellement optiques pour éviter la diaphonie entre voies et les perturbations par rayonnement électromagnétique entre voies. L'invention n'est nullement limitée aux formes et modes de réalisation décrits ci-dessus, dont elle englobe toutes les modifications et variantes issues du même principe de base. C'est ainsi que la présente invention décrite pour des signaux à deux niveaux peut être étendue à la transmission de signaux à plusieurs niveaux, la seule condition à réaliser étant d'avoir une seule sortie yk d'une matrice M parmi les m matrices active à la fois, les autres sorties yk émettant une puissance optique inférieure à PO La sortie active Yk de la matrice M émet une puissance optique P = Ve, P étant la puissance optique de la matrice active, 9 un coefficient de transformation électrique/optique et Ve la grandeur électrique d'entrée Le dispositif de réception 2 a permet de faire correspondre à la puissance optique reçue P un signal électrique Vs caractérisé par la relation suivante: Vs =( O (P+ 13), dans laquelle O ( est le coefficient de transfert optique électrique du dispositif opto-électrique 2, P est la puissance optique de la matrice active, et 13 un décollement (par exemple la puissance résiduelle au niveau O des autres matrices) Si l'on choisit R 3 = (Po). et CX = 1/ %, on obtient Vs = Ve, ce qui correspond à un dispositif transparent. L'invention trouve son application dans la réalisation de grilles de commutation de signaux logiques permettant la con- nexion d'un certain nombre de sources prises parmi un ensemble de sources réparties connectées sur les entrées d'un certain nombre de matrices élémentaires vers des sorties En particu- lier, l'invention s'applique à la réalisation de grilles de commutation audio-numériques ou vidéo-numériques. Selon l'invention, on peut réaliser des grilles pour si- gnaux modulés de type SPEM, comme spécifié ci-dessus, à modulateur SPFM en amont de chaque entrée de matrice élémen- 3.5 taire et démodulateur SPEM en aval de chaque récepteur optique. il Ce type de modulation permet de convertir des signaux analogiques (vidéo en particulier, mais aussi audio entre autres) en signaux à deux niveaux ce qui permet de se ramener au problème de base explicité ci-dessus On peut également réali- ser des grilles à structures réparties sur de grandes distances, grâce à l'interconnexion des grilles élémentaires par l'intermé- diaire de fibres et couplages optiques En particulier, les divers éléments essentiels décrits et revendiqués dans la pré- sente invention peuvent être utilisés séparément ou en combinai- son, couplage par bus optiques, couplages en étoile, ou autres réalisations mixtes issues du même principe. REVENDICATIONS 1 Dispositif de commutation à structure répartie et cou- plage passif, comportant x entrées de signaux réparties sur m matrices de commutation élémentaires (M 1 M Mm) et q sorties de signaux ( 51 Sk S q), les matrices élémentaires étant pourvues de q sorties (y, Yq) et les sorties de mêmes rangs (yk) étant couplées en parallèle à la sortie correspondante (Sk) par un circuit de couplage sans commande, caractérisé en ce que le circuit de couplage comporte des moyens de liaison à fibres optiques associés côté sorties des matrices élémentaires, à des dispositifs de conversion électro-optiques ( 1) et, coté sorties du dispositif, à des dispositifs de conversion opto-électrique, le couplage parallèle des sorties (Yk) de même rang des matrices élémentaires étant effectué par des coupleurs à fibres optiques. 2 Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la transmission de signaux à deux états logiques 1 et 0, les dispositifs de conversion électro-op- tiques ( 1) respectivement reliés à des sorties des matrices élémentaires convertissent les signaux de sortie des matrices élémentaires correspondants en signaux optiques, un signal opti- que de faible puissance P correspondant à un niveau O logique et un signal optique de puissance Pl plus élevée correspondant à un niveau 1 logique; et en ce que les moyens de conversion opto-électriques ( 2) font correspondre un O logique à la présence d'une puissance optique inférieure à R et un niveau l logique à la présence d'un signal optique de puissance supérieure à Rl, les puissances optiques étant telles que -R O > 2 (P R O R 1 o (P 0) est la somme des puissances optiques associées au iv niveau logique O susceptibles d'être couplées à une même fibre, et (Pl)i la puissance optique minimale correspondant à un niveau 1 logique. 3 Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que les dispositifs de conversion électro-optiques ( 1) sont constitués par un amplificateur (la) associé à un élément générateur de rayonnement (lb). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément générateur de rayonnement (lb) est choisi parmi les diodes électro-luminescentes et les dispositifs à laser. 5 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de couplage parallèle des sorties (yk) de même rang des matrices élémentaires à la sortie (Sk) correspondante comporte une fibre optique (Fk) sur laquelle sont répartis des coupleurs (Clk Cnk) respectivement reliés par des fibres d'entrée (Fîk Fjk Fnk) aux sorties des dispositifs de conversion électro-optiques reliés aux sorties correspondantes (yk) des matrices, l'ensemble des fibres optiques (F 1 Fk Fq) formant un bus optique. 6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de couplage parallèle des sorties (yk) de même rang des matrices élémentaires à la sortie (Sk) correspondante comporte un coupleur (C k) à m entrées reliées par des fibres optiques (Fkl Fkq) aux sorties des dispositifs de conversion électro-optiques eux-mêmes reliés aux sorties correspondantes (yk) des matrices, le coupleur (CO ayant une sortie reliée à la sortie (Sk) correspondante via une fibre optique de sortie (Fk), formant ainsi un couplage en étoile. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens opto-électriques ( 2) sont constitués par un récepteur optique ( 2 a) associé à un dispositif générateur de signaux électriques ( 2 b). 8 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour commuter des signaux analogiques, ces signaux sont transformés en signaux SPFM, un modulateur ( 5) étant disposés en amont de chaque entrée de matrice (M 1; M 2), tandis qu'un démodulateur ( 6) est disposé en aval de chaque dispositif opto-électrique ( 2). 9 Dispositif de commutation selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour la transmission de signaux à deux états logiques 1 et O, les dispositifs de conversion électro-op- tiques transmettent pour l'un des états un signal de puissance optique faible, (P), et pour l'autre état un signal optique haché à une fréquence (f) très supérieure à la fréquence du signal logique, entre deux niveaux de puissance optique (Pmin et Pmax). Dispositif de commutation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de couplage est mixte et com- porte, en plus des moyens de liaison à fibres optiques, des moyens de couplage passif à circuits logiques.