Brevet FR2680935A1 — publié le 19930305

Installation à réseau filaire de distribution de programmes audiovisuels et communication numérique à pont de données numériques. L'invention concerne les installations à réseau filaire de distribution de programmes audiovisuels, en particulier de télévision, notamment à partir d'une antenne collective. Une installation à réseau filaire de distribution de programmes audiovisuels comprend typiquement une station de tête pour recevoir des signaux de programmes audiovisuels, un réseau filaire relié à la station de tête, pour distribuer les programmes audiovisuels à des prises de raccordement de terminaux de réception de programmes audiovisuels. Une telle installation est déjà décrite dans la demande de brevet FR-8916714 non publiée. Les réseaux filaires de distribution de programmes audiovisuels, généralement en câble coaxial, sont prévus pour transmettre une très large gamme de fréquences, allant habituellement de 10 à 862 MHz pour les réseaux destinés à distribuer les programmes recueillis par les antennes classiques, de 10 à 1750 MHZ pour les réseaux alimentés par une antenne à bande intermédiaire satellite. Une fraction importante de cette plage de fréquences est affectée à la distribution des programmes audiovisuels de télévision ou des programmes radiophoniques haute qualité. Les signaux des programmes reçus par les antennes sont traités par la station de tête qui les adapte à la distribution sur les lignes coaxiales du réseau, généralement à structure arborescente. Sur les lignes coaxiales sont placés des dérivateurs alimentant des prises d'usager. La répartition des fréquences ainsi que la structure des éléments constitutifs des antennes collectives et des réseaux qui leur sont raccordés sont données, en France, par la norme NSC 90 120 complétée par le cahier des clauses techniques générales établi par TELEDIFFUSION DE FRANCE. Dans les installations d'antenne collective, deux bandes de fréquence sont réservées à la distribution des programmes audiovisuels. I1 s'agit de la bande allant de 47 MHz à 862 MHz pour toutes les antennes et, dans le cas des réseaux alimentés par une antenne à bande intermédiaire satellite, de la bande allant de 950 MHZ à 1750 MHz, qui vient en complément de la bande précédente. Sur les réseaux câblés urbains, la bande de fréquence réservée aux signaux audiovisuels, de télévision par exemple, peut se limiter à 450 MHZ, voire 600 MHz, au lieu d'être comprise entre 87,5 et 862 MHz. I1 subsiste, dans la plage des fréquences que le réseau filaire est capable de transmettre, des bandes de fréquence disponibles. Dans une zone géographique déterminée, il existe également des fréquences disponibles, constituées par les canaux de télévision qui restent inutilisés. Ces bandes de fréquence disponibles sont avantageusement utilisées pour distribuer des données numériques, de la station de tête vers les prises d'usagers, à une première fréquence Fd constituant une "voie descendante", par exemple entre 10 et 30 MHz, et pour faire remonter des données numériques depuis les prises d'usager vers la station de tête, à une autre fréquence Fe nettement distincte de la fréquence Fd, par exemple entre 68 et 72 MHz, constituant une "voie de retour" associée. Des terminaux de communication numériques sont raccordés aux prises d'usagers pour établir cette communication numérique bidirectionnelle. Les terminaux de communication numérique comportent chacun un modem numérique, connu en soi, pour moduler une porteuse à la première fréquence Fe et recevoir et démoduler une seconde porteuse entrante à la fréquence Fd. Par ailleurs l'installation comporte en station de tête un transposeur analogique de fréquence pour passer les signaux de la "voie de retour" sur la "voie descendante" en transposant les signaux de fréquence Fe en signaux de fréquence Fd. Le signal modulé véhiculant les données numériques émises par l'un quelconque des terminaux de communication numérique connectés aux réseau est en conséquence disponible, après transposition, simultanément en tous les points du réseau coaxial. En raccordant aux réseau coaxial, un appareil de gestion des ressources numériques et d'interrogation des terminaux de communication numérique, il est aisé de développer des applications de domotique. En particulier, dans un hôtel, une telle installation permet par scrutation à intervalles de temps réguliers, de déterminer le temps d'utilisation des récepteurs de télévision dans les chambres de l'hôtel, en réception de programmes à péage, avec paiement en fonction du temps (redevance dite "Pay Per View").Selon une autre application, dans un groupe d'immeubles, l'installation permet à un appareil d'exploitation, relié à une prise du réseau par l'intermédiaire d'un terminal de communication numérique, de mesurer des consommations de fluides ou d'énergie dans chaque appartement, les compteurs étant alors munis de mémoires de stockage du contenu des compteurs appropriés. Essentiellement, l'appareil de gestion de ressources numériques et d'interrogation des terminaux de communication numérique est le seul à avoir l'initiative du dialogue dans le réseau. Comme les terminaux de communication numérique, il est muni d'un modem numérique. Pour émettre une interrogation, il établit une porteuse à la fréquence Fe, puis après un temps d'établissement de la porteuse d'émission, il formule l'interrogation en modulant la porteuse d'émission par les données numériques à émettre.A la fin de l'interrogation, la porteuse d'émission est coupée. Les terminaux de communication numérique, en écoute permanente sur le canal de la "voie descendante", procède de la même façon pour émettre leur information. Toutefois, on constate un taux d'erreurs de transmission important, de l'ordre de 10 2 à 10 3, sur le canal de la "voie de retour" qui est le plus sensible aux perturbations d'origine industrielle ou autre. Ces erreurs fréquentes dans la transmission des données numériques pénalise fortement les performances de l'installation et ne convient pas aux exigences des applications industrielles précitées qui en découlent. De surcroît, une transposition de fréquence entièrement analogique contribue à accentuer le taux d'erreurs de transmission du fait que le bruit sur le canal de la "voie de retour" est réinjecté dans le canal de la "voie descendante". Enfin, un appareil de transposition de fréquence entièrement analogique est incapable de traiter les perturbations induites par les transitoires dans le canal de la "voie de retour" (établissement et coupure de la porteuse d'émission). L'objet de l'invention est de pallier ces inconvénients en proposant une installation à réseau filaire de distribution de programmes audiovisuels, notamment de télévision, comprenant: - une station de tête pour recevoir des signaux de programmes audiovisuels; - un réseau filaire relié à la station de tête, pour distribuer les signaux de programmes audiovisuels à des prises de raccordement de terminaux de réception de programmes audiovisuels et de communication numérique, chaque terminal de communication numérique comportant un modem numérique pour moduler une porteuse à une première fréquence Fe et recevoir et démoduler une porteuse modulée entrante à une autre fréquence Fd; et - un appareil de transposition des signaux de la fréquence Fe à la fréquence Fd; caractérisée en ce que l'appareil de transposition de fréquence comprend: - des moyens de réception et de démodulation de la porteuse modulée à la fréquence Fe pour fournir des signaux numérique en bande de base; - des moyens de traitement des signaux numériques en bande de base; - des moyens de modulation d'une porteuse à la fréquence Fd par les signaux numériques en bande de base traités. Le passage en bande de base du signal numérique à traiter permet d'isoler la "voie descendante" de la "voie de retour". D'un point de vue fréquentiel, le passage en bande de base est un filtre passe bas parfait, le bruit introduit dans la "voie de retour" peut être entièrement éliminé et seul le signal utile et réinjecté dans le canal de la "voie descendante". Le taux d'erreurs de transmission est amélioré d'un facteur 10 à 100 ce qui est compatible avec les exigences des applications industrielles précitées visées par l'installation selon l'invention. L'appareil de transposition de fréquence est raccordé au réseau coaxial à proximité de la station de tête ou incorporée à elle, surtout dans un réseau arborescent, pour diminuer la distance moyenne parcourue par les signaux. Avantageusement les moyens de traitement sont constitués par un micro-calculateur agencé pour régénérer les fronts et la période des signaux numériques en bande de base. Les moyens de réception, démodulation et modulation de l'appareil de transposition de fréquence sont constitués d'un modem numérique à fréquence d'émission Fe différente de la fréquence de réception Fd, et de moyens de translation de fréquence pour intervertir les fréquences des porteuses modulées en entrée et en sortie respectivement du modem numérique. On utilise par conséquent un modem numérique standard pour l'ensemble de l'installation ce qui réduit le coût et la complexité de celle-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore mieux à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins.- La figure 1 est une représentation schématique d'une installation conforme à l'invention. La figure 2 est une représentation schématique de l'appareil de transposition de fréquence. L'installation montrée en figure 1 est destinée à distribuer des programmes de télévision à partir d'une antenne collective qui peut être une antenne parabolique 10 destinée à recevoir les émissions diffusées directement par satellite et/ou une antenne classique 12 de type rateau ou YAGI. Les signaux de télévision captés par l'antenne sont traités par une station de tête 14 qui les adapte à la distribution sur le réseau, constitué en général de lignes coaxiales. Sur cette figure, ce réseau à une structure arborescente. Il comprend une ligne coaxiale principale 16 sur laquelle peuvent être interposés des amplificateurs de signal 18, à large bande pour amplifier les signaux dans toute la gamme de fréquence réservée à la distribution des programmes audiovisuels. Le signal porté à un niveau suffisant par les amplificateurs 18, est réparti par des lignes coaxiales secondaires 20, sur lesquelles peuvent également être interposés des amplificateurs. Des dérivateurs 22 transfèrent chaque fois une partie de l'énergie du signal sur des lignes coaxiales de raccordement 24 qui se terminent par des prises d'usagers 26. Chaque amplificateur 18 est prévu non seulement pour amplifier les signaux audiovisuels de télévision ou de radiodiffusion, mais aussi les signaux dans les bandes de distribution à une fréquence Fd (68 à 72 MHZ par exemple). Chaque amplificateur 18 est associé à un amplificateur 28, de "voie de retour",destiné à amplifier les signaux remontant vers la station de tête 14 à une fréquence de porteuse Fe, par exemple comprise entre 10 et 30 MHZ. Les deux amplificateur 18,28 sont regroupés en un seul module. Un appareil 30 de transposition de fréquence, incorporé à la station de tête 14 ou relié au réseau à proximité de la station, reçoit les signaux de la "voie de retour" dont la porteuse est à la fréquence Fe et les transpose à la fréquence Fd avant de les renvoyer sur le réseau. Ainsi, un signal constitué par une porteuse à fréquence Fe modulée est recueilli par l'appareil de transposition 30, transposé en fréquence, et réémis, en même temps que le signal de télévision par exemple, sur la ligne principale 16, puis vers les lignes secondaires 20 et les dérivateurs 22. Le signal dont la porteuse est à la fréquence Fd est ainsi disponible à chacune des prises terminales 26. Une prise d'abonné 26 peut alimenter directement un récepteur audiovisuel, tel qu'un poste de télévision 32 qui recevra les programmes dans des conditions normales, une chaîne haute fidélité 39. Une prise 26 peut tout aussi bien alimenter un terminal de communication numérique 36 en plus ou en même temps qu'un récepteur audiovisuel. L'installation comporte également un appareil 46 de gestion de ressources numériques, rendu nécessaire par le raccordement au réseau de plusieurs terminaux de communication numérique susceptibles d'émettre en même temps. L'appareil de gestion organise les échanges de données numériques suivant un protocole évitant les collisions et/ou permettant de les traiter. L'appareil de gestion constitue une station "maître", tandis que les terminaux 36 constituent des stations "esclaves" qui ne peuvent émettre que sur requête de l'appareil de gestion 46. Cet appareil peut être relié en un point quelconque du réseau. I1 peut être déplacé d'un point à un autre du réseau sans aucune modification de l'installation ou des équipements connectés au réseau. L'appareil de gestion 46 comme les terminaux de communication numérique 36 comporte un ensemble de communication dont le rôle est: - de moduler une porteuse de fréquence Fe par des données numériques à émettre et démoduler une porteuse de fréquence Fd pour recueillir des données numériques; - d'assurer les fonctions de traitement du protocole de communication utilisé sur le réseau (couches 2 et 3 du modèle ISO) et d'identification de l'ensemble de communication par une adresse. Sur la figure 1, l'ensemble de communication du terminal 36 comporte un séparateur de signaux 38 pour alimenter en plus une prise 37 de liaison d'un récepteur de télévision 32 et/ou un récepteur haute fidélité 39. Le séparateur de signaux 38 est constitué d'un jeu de filtres: - un filtre d'entrée centré sur la fréquence Fd, ne délivrant sur sa sortie que les signaux situés dans la bande de fréquence attribuée à la distribution des données numériques sur la "voie descendante"; - un filtre de sortie centré sur la fréquence Fe de la "voie de retour", insérant sur la ligne coaxiale, les signaux modulés appliqués sur son entrée et véhiculant les données numériques émises par l'ensemble de communication; - un filtre large bande fournissant les signaux audiovisuels distribués à la prise 37. Tous les ensembles de communication 36,46 comportent un modem numérique 40 assurant les fonctions de modulation et démodulation des données numériques. Le démodulateur du modem est prévu pour recevoir, du filtre d'entrée, des signaux modulés centrés autour de la fréquence Fd. le modulateur du modem est réglé pour émettre un signal modulé autour de la fréquence Fe et l'appliquer au filtre de sortie. Pour autoriser l'interrogation des terminaux 36 par l'appareil de gestion 46, il est nécessaire que le démodulateur soit toujours actif en phase de veille, c'est à dire qu'il démodule tous les signaux centrés sur Fd qui arrivent à la prise 26. Etant donné cependant que le fonctionnement permanent n'est nécessaire pour que le terminal puisse recevoir une invitation à émettre en provenance de l'appareil de gestion, il est possible d'arrêter le fonctionnement du démodulateur pendant les phases d'émission par le terminal auquel il appartient. En revanche, le modulateur du modem numérique 40 est inactif en phase de veille et n'émet pas de signal. Il n'intervient que lorsque le terminal a un message à transmettre en réponse à une invitation en provenance de l'appareil de gestion. L'émission ne dure que le temps nécessaire à l'envoi du message de données.Ces dernières sont donc toujours émises par salves, quelque soit l'équipement concerné ( appareil de gestion ou terminal). Sur la figure 2, l'appareil de transposition de fréquence 30 comprend également un modem numérique 40 et joue le rôle d'un pont de données numériques entre la "voie de retour" et la "voie descendante". En plus du modem 40, l'appareil de transposition comprend des mélangeurs de signaux 61,62 alimentés sur leur seconde entrée par un oscillateur commun 60 fournissantune porteuse à la fréquence Fo égale à la différence de fréquence Fd-Fe, et une unité de traitement de signaux numériques telle qu'un micro-calculateur 63 connecté au modem 40, par exemple, par une liaison asynchrone du type RS232. Comme le démodulateur du modem numérique 40 est prévu pour recevoir des signaux d'entrée centrés autour de la fréquence Fd et que les terminaux émettent des signaux centrés autour de la fréquence Fe sur la "voie de retour", le mélangeur 61 est interfacé entre le réseau et l'entrée de démodulation du modem numérique pour mélanger les signaux centrés autour de la fréquence Fe avec une porteuse de fréquence Fo égale à Fd-Fe. Symétriquement, le modulateur du modem numérique étant réglé pour émettre un signal modulé centré autour de la fréquence Fe et les terminaux recevant, sur la "voie descendante", des signaux centrés autour de la fréquence Fd, le mélangeur 62 est interfacé entre le réseau et la sortie de modulation du modem numérique pour mélanger les signaux centrés autour de la fréquence Fe émis en sortie du modulateur avec une porteuse de fréquence Fo égale à Fd-Fe.Dans le cas d'une démodulation à la fréquence de 70 MHZ et d'une modulation à la fréquence de 29,7 MHZ dans le modem numérique 40, l'oscillateur 60 commandant les mélangeurs 61,62 travaille à la fréquence Fo égale à 40,3 MHz. Pour réaliser un pont de données numériques, la sortie du démodulateur et l'entrée du modulateur du modem numérique 40 sont reliées entre elles à travers l'unité de traitement 63 qui reçoit et renvoie des signaux numeriques en bande de base par exemple en NRZ. L'unité de traitement est apte à régénérer les fronts et les périodes des signaux numériques en bande de base provenant du démodulateur du modem numérique 40 pour les renvoyer, épurés des parasites induits par les perturbations sur la "voie de retour", au modulateur du modem numérique. Par voie de conséquence, seules les données numériques utiles sont injectées sur la "voie descendante" isolée de la "voie montante. En plus de l'élimination des parasites dans les signaux numériques en bande de base, l'unité de traitement est apte à mettre en oeuvre une correction d'erreurs de transmission par utilisation de codes de transmission redondants.On obtient un taux d'erreurs de transmission des données numériques sur le réseau inférieur à 10-4. Ce taux d'erreurs faible est maintenu pour un réseau à liaisons coaxiales de grande taille et/ou fortement bruité. Les transitoires dans la "voie de retour" qui surviennent lors de l'établissement et la coupure de la porteuse à la fréquence Fe n'affectent pas la qualité du signal modulé injecté dans la "voie descendante". Le traitement des signaux numériques se faisant en temps réel, le modulateur et le démodulateur du modem numérique 40 dans l'appareil de transposition de fréquence fonctionnent en même temps. On conçoit que l'appareil de transposition de fréquence, dans le cas d'un réseau de structure arborescente, est avantageusement raccordé au réseau à proximité de la station de tête ou incorporée à celleci pour diminuer la distance parcourue par les signaux modulés (temps de propagation) avant régénération de leurs caractéristiques physiques par l'unité de traitement 63. Le modem numérique 40 de l'appareil de transposition 30 étant identique aux modems 40 utilisés pour l'appareil de gestion 46 et pour les terminaux de communication numérique 36, le coût de l'installation et sa complexité sont réduits. Divers types de modulation peuvent être utilisées. Cependant, dans le cas d'un réseau en lignes coaxiales, il semble avantageux d'utiliser la modulation de fréquence à continuité de phase, dite CPFSK, avec un débit de communication numérique compatible avec la bande passante disponible et avec le niveau de bruit sur le réseau. Plus le réseau est bruité et plus il est nécessaire d'avoir une bande de fréquence large avec un débit de transmission donné. Dans la pratique, on utilisera souvent un débit de 19200 bauds pour une bande de fréquence de l'ordre de 50 kHz. L'ensemble de communication 36 comporte également une interface 42 de traitement de protocole de réseau, au niveau des couches 2 et 3 (liaison et routage) du modèle ISO. Cette interface peut contenir l'adresse particulière à l'ensemble de communication. Elle se raccorde à l'appareil d'exploitation 50 fournissant le message numérique à transmettre ou capable d'exploiter un message reçu. La nature de l'appareil d'exploitation peut être très variée : il peut s'agir d'une mémoire contenant des données fournies par des compteurs de fluide, d'énergie ou de service. Il peut être constitué par des capteurs de conditions anormales, telles que température excessive, contacts d'ouvertures de portes, etc... L'appareil de gestion 46 est généralement constitué par un calculateur 48 de type ordinateur personnel ou calculateur industriel, tel que VME ou G96, relié au réseau par l'ensemble 36 à modem de communication numérique. Certains éléments de cet ensemble peuvent être incorporés au calculateur, par exemple l'interface, le modem étant alors directement relié au calculateur 48, par exemple par une liaison asynchrone RS 232. Dans le calculateur 48 sont implantés les logiciels de gestion nécessaires au bon déroulement des communications. Ces logiciels peuvent être très proches d'un des types déjà connus de gestion de réseaux locaux à station "maître". Il suffira en conséquence de décrire le fonctionnement de l'installation en transmission de données. Le protocole mis en oeuvre peut notamment comporter - l'interrogation périodique de chacun des terminaux connectés, suivant un ordre qui peut être pré-établi (scrutation cyclique avec éventuellement interrogation plus fréquente de certains terminaux) ou suivant un ordre déterminé par des données reçues lors des échanges précédents, par adressage de sousensembles successifs - la détection des contentions survenant lors des échanges et la gestion des procédures de résolution de contention - la détection des erreurs lors des échanges et l'envoi d'ordres de réémission des données perturbées, la détection d'erreurs et éventuellement leur correction pouvant se faire par utilisation de codes de transmission redondants - la détection de l'absence de réponse de certains équipements connectés - l'interrogation "ouverte" pendant un temps déterminé, sous forme d'envoi d'un code et/ou d'une adresse globale invitant à émettre, seuls, les terminaux ayant une information urgente à fournir, par exemple une alarme - la diffusion d'informations à certains des terminaux ou à tous, avec répétition éventuelle. Lorsqu'un terminal reçoit une invitation à émettre et a effectivement un message à transmettre, son modulateur est activé et envoie un signal modulé sur le réseau coaxial, pendant le temps nécessaire à l'envoi des données. La fréquence du signal modulé est changée par l'appareil de transposition de fréquence pour rendre disponible les données numériques transmises, sur la "voie descendante". Deux modes de fonctionnement du terminal peuvent être envisagés. Dans un premier mode, le démodulateur reste en fonctionnement et démodule les signaux présents sur réseau coaxial et centré sur la fréquence fd. Il est alors possible de contrôler, dans l'interface 42, que le signal démodulé, qui a transité sur le réseau coaxial, est bien identique au signal qui-a été émis et d'envoyer un signal d'erreur dans le cas contraire. Dans un second mode de fonctionnement, le démodulateur est arrêté pendant le fonctionnement du modulateur. Cette solution permet d'utiliser un modem numérique 40 ne comportant qu'un seul oscillateur local ou un seul synthétiseur de fréquences, calé alternativement sur la fréquence d'émission ou sur la fréquence de distribution. L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. En particulier, certaines au moins des prises d'abonnés 26 sont équipées à demeure d'un ensemble de communication 36. Dans ce cas, chaque point d'utilisation du réseau ainsi équipé comportera un coffret muni d'une prise 37 de raccordement d'un récepteur audiovisuel et/ou d'une prise spéciale 52 de raccordement d'un appareil d'exploitation numérique. Des appareils supplémentaires d'introduction de données numériques 54 peuvent être connectés directement au niveau des amplificateurs ou de la station de tête. Plusieurs fréquences fe et/ou fd peuvent être prévues pour autoriser un débit accru ou permettre un fonctionnement bidirectionnel. Il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à de telles variantes ainsi plus généralement qu'à toutes autres restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. ) Une installation à réseau filaire de distribution de programmes audiovisuels, notamment de télévision, comprenant: - une station de tête (14) pour recevoir des signaux de programmes audiovisuels; - un réseau filaire (16,20,24) relié à la station de tête, pour distribuer les signaux de programmes audiovisuels à des prises (26) de raccordement de terminaux de réception de programmes audiovisuels (32,39) et de communication numérique (36), chaque terminal de communication numérique (36) comportant un modem numérique (40) pour moduler une porteuse à une première fréquence Fe et recevoir et démoduler une porteuse modulée entrante à une autre fréquence Fd; et - un appareil (30) de transposition des signaux de la fréquence Fe à la fréquence Fd; installation c a r a c t é r i s é e en ce que l'appareil de transposition de fréquence comprend: - des moyens (40,60,61) de réception et de démodulation d'un porteuse modulée entrante à la' fréquence Fe pour fournir des signaux numériques en bande de base; - des moyens (63) de traitement des signaux numériques en bande de base; - des moyens (40,60,62) de modulation d'une porteuse à la fréquence Fd par les signaux numériques en bande de base traités. 2. ) L'installation selon la revendication 1, dans laquelle l'appareil de transposition est proche de la station de tête ou incorporée à elle. 3. ) L'installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les moyens de réception, démodulation et modulation de l'appareil de transposition de fréquence sont constitués d'un modem numérique (40) à fréquence d'émission Fe différente de la fréquence de réception Fd, et de moyens (60,61,62) de translation de fréquence pour intervertir les fréquences des porteuses modulées en entrée et en sortie respectivement du modem numérique. 4. ) L'installation selon la revendication 3, dans laquelle les moyens de translation de fréquence sont constitués de deux mélangeurs (61,62) de signaux pilotés par un oscillateur (60) commun travaillant à une fréquence Fo égale à la différence des fréquences de démodulation et modulation du modem (Fd-Fe). 5. ) L'installation selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de traitement sont constitués par un micro-calculateur (63) agencé pour régénérer les fronts et la période des signaux numérique en bande de base.