Brevet FR2685591A1 — publié le 19930625

i CIRCUIT D'AUGMENTATION DE LA DYNAMIQUE POUR UN CANAL DE TRANSMISSION D'UN SIGNAL ANALOGIQUE FUGITIF A LARGE BANDE ET APPLICATION A UN DISPOSITIF DE TRANSMISSION OPTIQUE DE PLUSIEURS SIGNAUX FUGITIFS La présente invention se rapporte à un circuit d'augmentation de la dynamique pour un canal de transmission d'un signal analogique fugitif à large bande du type présentant un front de montée très rapide de durée Tl suivi d'une évolution plus lente de durée Te-Tl. Elle se rapporte aussi à l'application d'un tel circuit à un dispositif de transmission optique de plusieurs signaux fugitifs. L'étude de phénomènes comme la foudre, les impulsions électromagnétiques, les décharges électrostatiques etc conduit à la mesure de signaux analogiques à large bande (plusieurs centaines de mégahertz) qui sont générés par différents aspects du même phénomène: champ électrique, champ magnétique, courant, tension etc Ces signaux analogiques se caractérisent par une durée très limitée dans le temps, de quelques dizaines de nanosecondes à quelques microsecondes (d'o l'appellation de signaux fugitifs) et par une quasi-simultanéité due à leur origine commune. Du fait que ces phénomènes peuvent avoir un effet destructeur important, il est souvent nécessaire d'effectuer l'analyse des signaux à une distance suffisante du phénomène et d'assurer un isolement galvanique entre le phénomène étudié et le système d'analyse. Un des moyens les mieux adaptés pour cela est l'utilisation de transmissions par fibre optique Lorsqu'il s'agit de transmettre des signaux à très large bande sur de grandes distances (plusieurs kilomètres à quelques centaines de kilomètres), le seul moyen analogique pour une bonne transmission par fibre optique consiste à utiliser un laser de préférence de type DFB ("Distributed Feed Back" dans la littérature anglo-saxonne) avec un isolateur optique et une liaison optique par fibre monomode. Ce type de liaison permet, par exemple d'assurer une bande passante d'environ 20 Hz à 2 G Hz avec un rapport signal à bruit de plus de 56 d B. Le coût d'une telle liaison étant élevé, il a été proposé par la demanderesse dans la demande de brevet français N O 9114547 déposée le 26 novembre 1991 de multiplexer dans le temps les signaux fugitifs à transmettre en utilisant des lignes à retard à large bande à fibres optiques pour retarder par des durées croissantes les signaux fugitifs respectifs et appliquer ces signaux multiplexés à une liaison optique unique. Cependant la plupart des signaux fugitifs rencontrés dans les phénomènes du type décharge électrostatique, impulsion électromagnétique, foudre etc présentent une dynamique importante tout en ayant une montée rapide suivie d'une évolution plus lente. La dynamique du signal fugitif est ainsi très souvent bien supérieure à la dynamique tolérée par le canal de transmission disponible. Un objet de l'invention est un circuit d'augmentation de la dynamique remédiant aux inconvénients précédents et permettant de multiplier la dynamique d'un canal de transmission grâce au fait que l'on transmet le signal fugitif plusieurs fois successivement avec des atténuations croissantes. Selon l'invention, il est donc prévu un circuit d'augmentation de la dynamique pour un canal de transmission d'un signal analogique fugitif à large bande du type présentant un front de montée très rapide de durée Tl suivi d'une évolution plus lente de durée TO-Tl, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend: M voies de transmission dudit signal fugitif délivrant à leur sortie respectivement m-i un signal représentant ledit signal fugitif retardé de Tl et atténué de II Ki pour la voie de rang _; et i = 1 des moyens de multiplexage pour multiplexer dans le temps les signaux de sortie desdites M voies, de manière que les signaux des premières voies soient transmis respectivement pendant des intervalles successifs de durée Tl et que le signal de la dernière voie soit transmis à la suite pendant au moins une durée To. Selon un autre aspect de l'invention, il est prévu un dispositif de transmission optique de N signaux analogiques fugitifs sensiblement simultanés à large bande passante, du type utilisant un moyen de liaison comportant une fibre optique unique à large bande pour la transmission à distance de tous ces signaux, des moyens de conversion électro-optiques pour convertir (N-1) desdits signaux fugitifs en signaux lumineux, fibres optiques recevant respectivement lesdits signaux lumineux, (N-1) de longueurs différentes telles que les retards qu'elles apportent entre deux fibres successives différent d'une valeur TO', la longueur de la fibre la plus courte étant choisie de façon que le retard qu'elle apporte soit égal à To', et des moyens de combinaison et de conversion opto-électriques pour former par multiplexage dans le temps, à partir desdits signaux lumineux retardés et du signal fugitif non retardé, un signal électrique résultant appliqué pour transmission audit moyen de liaison, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque signal fugitif, un circuit d'augmentation de la dynamique tel que défini ci- dessus, disposé avant lesdits moyens de conversion électro-optiques pour lesdits signaux fugitifs retardés optiquement et avant lesdits moyens de combinaison et de conversion opto-électriques pour ledit signal fugitif non retardé, et en ce que ladite durée To' est choisie égale à la valeur (M-1) Tl +To. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints o: la figure 1 est un diagramme d'un exemple de signal fugitif; la figure 2 est un diagramme illustrant le principe de l'invention; la figure 3 représente le schéma d'un premier mode de réalisation de circuit selon l'invention; la figure 4 est le schéma d'un deuxième mode de réalisation de circuit selon l'invention; la figure 5 montre le schéma d'une partie des circuits des figures 3 et 4; la figure 6 est le schéma d'une application du circuit selon l'invention à un dispositif de transmission optique de plusieurs signaux fugitifs; et la figure 7 montre le schéma d'un autre mode de réalisation du dispositif de la figure 6. La figure 1 donne la forme typique d'un signal fugitif à large bande Ce signal comporte un front de montée très rapide à partir du niveau de bruit jusqu'à une valeur maximum Smax pendant une durée Tl puis une évolution plus lente pendant une durée To-Tj o To est la durée totale du signal. La dynamique du signal est donnée par: Dsigna = S Bruit efficace du canal de transmission Par ailleurs, on suppose que le canal de transmission dans lequel ce signal doit être transmis peut transmettre un signal maximum S Cmax La dynamique du canal de transmission est donc: Dcanal kmax Bruitefficace ducanalde transmission Très souvent, S Cmax est inférieur à Smax. La figure 2 illustre le principe de l'invention permettant d'apporter une solution à ce problème. Selon l'invention, on propose de transmettre le front de montée rapide d'amplitude V pendant la durée Tl, puis de transmettre à nouveau ce front pendant une durée T 1 mais atténué d'un facteur Ki, puis une nouvelle fois pendant Tl mais atténué d'un facteur K 1 K 2 et ainsi de suite (ici on n'a représenté qu'une seule v retransmission avec une amplitude-), enfin de transmettre une Mième fois le M-1 signal pendant toute la durée To et atténué d'un facteur II Ki, o M est le i = 1 nombre de transmissions successives On prend à chaque fois Ki > 1 Par exemple Ki peut varier de 2 à 10, sans que ces chiffres soient en rien limitatifs. Si on appelle D la dynamique du canal de transmission, la dynamique M-1 du signal qu'on pourra effectivement transmettre atteindra D r I Ki. La figure 3 représente un premier exemple dei' riuit basé sur ce principe en supposant M= 3 Le signal fugitif est appliqué par l'entrée E sur un amplificateur 1 Celui-ci délivre le signal fugitif à une première voie Vol le transmettant directement Il le délivre aussi à un atténuateur 2 d'atténuation KI suivi en série d'une ligne à retard électrique L Rel de durée T 1 qui délivre le signal d'une deuxième voie Vo 2 Une telle ligne à retard peut être réalisée à l'aide d'une ligne coaxiale pour obtenir une bande passante de plusieurs centaines de mégahertz avec un retard jusqu'à plusieurs centaines de nanosecondes. La sortie de la ligne L Rel est reliée à un atténuateur 3 d'atténuation K 2 suivi d'une ligne à retard électrique L Re 2 de durée Tl qui délivre le signal d'une troisième voie Vo 3 On pourrait continuer de connecter d'autres voies de la même façon et on voit qu'à la sortie de chaque voie de rang m ( 1 un signal Sw fourni par un circuit de commande 5. Celui-ci est prévu de telle sorte qu'il commande le commutateur 4 de la manière suivante: de l'instant initial d'apparition du signal fugitif choisi comme instant O jusqu'à T 1, le commutateur 4 relie la première voie Vol à la sortie U; de Tl à 2 T 1, il relie la deuxième voie Vo 2 à la sortie U; de 2 T 1 à To', avec To' = (M-1) Tl+To, il relie la dernière voie Vo 3 à la sortie U. Naturellement, le commutateur 4 doit être un commutateur électronique rapide ayant un temps de commutation tsw Sur la figure 4, on a représenté un autre exemple de réalisation Les mêmes numéros de référence renvoient aux mêmes éléments dans toutes les figures. Les voies Vol et Vo 2 sont identiques à celles de la figure 3 Par contre, les autres voies, ici Vo 3, sont toutes reliées en parallèle à la sortie de l'amplificateur 1 et m 1 comportent chacune un atténuateur, ici 3 ' pour la voie Vo 3, d'atténuation II Ki i= 11 et une ligne à retard, ici L Re 2 ', de durée (m-1) Tl pour la voie de rang mi Le commutateur 4 et le circuit de commande 5 sont identiques à ceux de la figure 3. La figure 5 représente à titre d'exemple un mode de réalisation possible de ces deux éléments On a supposé que le commutateur 4 étant formé de trois commutateurs élémentaires 401, 402, 403 formant multiplexeur commandés respectivement par les signaux de commande Swl, Sw 2, Sw 3 Le circuit de commande 5 comporte d'abord un comparateur Cp recevant sur une entrée le signal fugitif venant de l'amplificateur i et sur son autre entrée un seuil dont la valeur est choisie très basse (par exemple (VI 100) Ainsi dès l'apparition du signal fugitif, le comparateur Cp fournit une impulsion à un premier circuit monostable Ml de durée Tl déclenché par le front montant de l'impulsion Le circuit Ml fournit le signal Swl qui maintient le commutateur 401 dans la position S entre 0 et Tl puis le laisse retomber dans la position b Le front descendant du signal Swl déclenche un deuxième circuit monostable M 2 de durée Tl qui fournit le signal Sw 2 Celui-ci maintient le commutateur 402 dans la position b entre Tl et 211, le commutateur 402 étant dans la position c le reste du temps Le front descendant du signal Sw 2 met à l'état i une bascule FF de type D qui a été remise à zéro par le signal Swl. La bascule FF fournit sur sa sortie Q le signal Sw 3 qui maintient le commutateur 403 dans la position d de O à 211 puis le laisse retomber dans la position e le reste du temps. Ainsi, entre O et Tl, la voie Vol est reliée à la sortie U par 401 en position a et 403 en position 4 Entre Tl et 2 T 1, la voie Vo 2 est reliée à la sortie U par 401 en position k ( 402 est aussi en position b) et 403 en position d A partir de 21 l, c'est la voie Vo 3 qui est reliée à la sortie U par 402 en position c et 403 en position, Il est clair que ce mode de réalisation n'est donné qu'à titre explicatif et qu'en pratique on pourra utiliser pour le commutateur 4 un multiplexeur de type intégré bien connu à commande binaire disponible dans le commerce. La figure 6 illustre une application particulièrement intéressante du circuit précédemment décrit à un dispositif de transmission optique de plusieurs signaux fugitifs à large bande. Comme on l'a déjà expliqué, une liaison optique de qualité à large bande passante implique l'emploi d'une fibre optique de qualité, par exemple monomode, donc coûteuse et en général d'un laser DFB 36 également coûteux même si, dans certains cas, on peut se contenter d'une diode électroluminescente (LED) ou d'un laser FP L'utilisation d'une liaison de ce type pour chaque signal fugitif serait d'un coût rédhibitoire La demande de brevet déjà mentionnée a proposé comme solution de multiplexer dans le temps ces signaux en les retardant de durées successives égales à To, durée d'un signal fugitif, ceci grâce à des lignes à retard optiques. Chaque signal fugitif sur les entrées respectives El à E 3 est appliqué à un circuit d'augmentation de dynamique selon l'invention Cl à C 3 A titre d'exemple on a détaillé le circuit Cl, les autres étant strictement identiques Le circuit Cl comprend un circuit de protection 11 et un atténuateur 21 suivi de l'amplificateur 1 On a choisi un circuit à seulement deux voies pour simplifier La deuxième voie comprend un atténuateur 2 ' de facteur d'atténuation K et une ligne à retard L Re de durée T 1 Un commutateur 4 ' commandé par un circuit de commande 5 ' multiplexe les deux voies Les signaux de sortie des circuits Cl à C 3 ont comme on l'a vu une durée To' égale ici à TO+Tl Ils sont appliqués aux amplificateurs 31 à 33 Tous ces amplificateurs sauf le premier font partie d'émetteurs optiques utilisant des diodes électroluminescentes (LED) ou éventuellement des lasers 52, 53 Ces émetteurs transforment les signaux fugitifs correspondants en signaux lumineux injectés dans des fibres optiques Fb 2, Fb 3 dont les longueurs différent. Les diodes LED ou lasers 52, 53 sont connectés en série avec des interrupteurs 42, 43 commandés par des signaux 52, 53 respectivement Les fibres optiques Fb 2, Fb 3 constituent des lignes à retard analogiques de très grande bande passante et de durée élevée (plusieurs centaines de mégahertz pour la bande et plusieurs microsecondes pour le retard). Si To' est la durée des signaux fugitifs délivrés par les circuits C 2, C 3 que l'on veut transmettre, on choisit de préférence la durée du retard apporté par la première fibre Fb 2 égal à To' et les autres fibres apportent des retards s'accroissant de To' d'une fibre à la suivante Ceci permet de multiplexer ensuite dans le temps les signaux fugitifs. Les signaux fugitifs retardés optiquement sont combinés par un coupleur optique 25 et le signal lumineux de sortie du coupleur attaque un récepteur optique Rol comportant une photodiode 26 et un amplificateur 27 pour convertir ledit signal lumineux en un signal électrique intermédiaire appliqué à une borne d'un commutateur 41 Ce commutateur est commandé par un signal de commande 51 et reçoit sur sa seconde entrée le premier signal fugitif non retardé venant de l'amplificateur 31 La sortie du commutateur 41 est appliquée à l'entrée de la liaison unique de très bonne qualité, celle-ci comportant un émetteur optique comprenant l'amplificateur 35 et la diode laser DFB 36, et la fibre monomode Fbi. Enfin, le dispositif comporte également un déclencheur-séquenceur 15 recevant les divers signaux fugitifs présents sur les entrées El à E 3 et fournissant les signaux de commande Si à 53. Pendant le temps To' à partir de l'instant initial, les signaux fugitifs des entrées E 2 et E 3 sont convertis en signaux lumineux puis retardés et combinés dans le coupleur 25 L'ouverture des interrupteurs tels que 42, permet d'empêcher que la suite éventuelle des signaux fugitifs correspondants ne viennent interférer dans le coupleur avec les signaux suivants On évite ainsi tout recouvrement, tout en pouvant transmettre un dernier signal plus long si on applique un signal de fermeture permanent à l'interrupteur 43 Les signaux multiplexés dans le temps et retardés ainsi obtenus sont, après conversion par le récepteur optique Rol, multiplexés avec le signal non retardé de la voie 1 par le commutateur 41, qui est commandé par un signal de commande 51 assurant le passage du signal de la voie 1 entre les temps O et To' puis le passage du signal intermédiaire issu de Rol pendant le reste du temps. Grâce aux circuits Ci à C 3, on peut donc transmettre par la liaison unique de qualité des signaux fugitifs de grande dynamique, supérieure à la dynamique de la liaison. La figure 7 représente le schéma d'une autre variante de dispositif o on a remplacé le coupleur optique par plusieurs récepteurs optiques et un multiplexeur électrique. Les émetteurs optiques 32, 33, 52, 53 ne sont plus en série avec des interrupteurs On retrouve sur ce schéma les lignes à retard à fibre optique Fb 2, Fb 3 Chaque fibre optique est suivie d'un récepteur optique constitué d'une photodiode 62, 63 et d'un amplificateur 72, 73 Le premier signal électrique fugitif non retardé issu de l'amplificateur 31 et les signaux électriques retardés fournis par les récepteurs optiques 62-72 et 63-73 sont appliqués aux entrées de données d'un multiplexeur électrique MUX de tout type connu Les entrées de commande du multiplexeur MUX reçoivent des signaux de commande S'i à S'3 La sortie du multiplexeur fournit le signal multiplexé à l'entrée 35, 36 de la liaison optique de grande qualité Un déclencheur- séquenceur 15 ' similaire au circuit 15 de la figure 6 fournit les signaux SI' à S '3 à partir des signaux fugitifs des entrées El à E 3. Pour la clarté de l'explication, on a symbolisé le multiplexeur MUX par trois commutateurs 81 à 83 commandés respectivement par les signaux de commande S'1 à S'3. A l'instant d'apparition des signaux fugitifs noté Q, les signaux S'1 et S'3 passent à une valeur correspondant aux positions des commutateurs 81 et 83 représentées sur la figure 7 Le premier signal fugitif et répété non retardé du circuit Cl est donc transmis vers la sortie entre les instants O et To' A l'instant To', le signal S'1 retombe à une valeur correspondant à l'autre position du commutateur 81 cependant que le commutateur 83 ne change pas Le premier signal fugitif retardé venant de l'amplificateur 72 est transmis vers la sortie entre les instants To' et 2 TO' A l'instant 2 TO', le signal S'3 retombe à une valeur correspondant à l'autre position du commutateur 83 cependant que le signal S'2 passe à une valeur correspondant à la position du commutateur 82 non représentée sur la figure 7 Le second signal fugitif retardé venant de l'amplificateur 73 est donc transmis vers la sortie à partir de l'instant 2 To'. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits et leurs applications ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit d'augmentation de la dynamique pour un canal de transmission d'un signal analogique fugitif à large bande du type présentant un front de montée très rapide de durée Tl suivi d'une évolution plus lente de durée To-Tl, ledit circuit étant caractérisé en ce qu'il comprend: M voies de transmission (Vol, Vo 2, 2, L Rel, Vo 3, 3, L Re 2; Vol, Vo 2, 2, L Rel, Vo 3, 3 ', L Re 2 ') dudit signal fugitif délivrant à leur sortie respectivement un m-l signal représentant ledit signal fugitif retardé de (m-l) Tl et atténué de II Ki pour la voie de rang m; et i = l des moyens de multiplexage ( 4, 5; 4 ', 5 ') pour multiplexer dans le temps les signaux de sortie desdites M voies, de manière que les signaux des (M-l) premières voies soient transmis respectivement pendant des intervalles successifs de durée Tl et que le signal de la dernière voie soit transmis à la suite pendant au moins une durée To. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites M voies de transmission comprennent: une première voie (Vol) de transmission directe dudit signal fugitif (E); et (M-l) voies retardées (Vo 2, Vo 3), avec M> 2, comportant chacune une ligne à retard électrique (L Rel, L Re 2; L Rel, L Re 2 '; L Re) en série avec un atténuateur ( 2, 3; 2 '), lesdites voies retardées ayant des lignes à retard et atténuateurs de valeurs telles et étant connectées de telle sorte que la sortie de la voie de rang m fournit un signal représentant ledit signal fugitif retardé de (m-l) Tl et atténué de m-1 II Ki. i=l 3 Circuit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de multiplexage comprennent: 1 1 des moyens de commutation ( 4; 4 ') à M entrées connectées respectivement aux sorties desdites M voies et une sortie (U); et des moyens de commande ( 5; 5 ') pour commander lesdits moyens de commutation de manière à multiplexer dans le temps les signaux de sortie des M voies, les signaux des (M-1) premières voies étant transmis respectivement pendant des intervalles successifs de durée T 1 et le signal de la dernière voie étant transmis ensuite pendant une durée To. 4 Circuit selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chacune desdites (M-l) voies retardées (Vo 2, Vo 3) reçoit ledit signal fugitif et comporte en série: une ligne à retard (L Rel, L Re 2 ', L Re) de durée (m-l) T 1 pour la voie de rang m; et m-1 un atténuateur ( 2, 3 '; 2) introduisant une atténuation Km = II Ki pour la voie de rang m, avec Ki > 1 i = 1 Circuit selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chacune des voies de rang m est reliée à la sortie de la voie de rang m- 1 et en ce que lesdites M-1 voies retardées comportent chacune en série: une ligne à retard (L Rel, L Re 2; L Re) de durée T 1 l; et un atténuateur ( 2, 3; 2 ') introduisant une atténuation Km, o Km est supérieur à 1, pour la voie m. 6 Dispositif de transmission optique de N signaux analogiques fugitifs sensiblement simultanés à large bande passante, du type utilisant un moyen de liaison ( 35 à 39, Fbl) comportant une fibre optique unique (Fbl) à large bande pour la transmission à distance de tous ces signaux, des moyens de conversion électro- optiques ( 32, 33, 52, 53) pour convertir (N-i) desdits signaux fugitifs en signaux lumineux, (N-1) fibres optiques (Fb 2, Fb 3) recevant respectivement lesdits signaux lumineux, de longueurs différentes telles que les retards qu'elles apportent entre deux fibres successives différent d'une valeur To', la longueur de la fibre (Fb 2) la plus courte étant choisie de façon que le retard qu'elle apporte soit égal à To', et des moyens ( 25 à 27, 41, 15; 62, 63, 72, 73, MUX, 15 ') de combinaison et de conversion opto-électriques pour former par multiplexage dans le temps, à partir desdits signaux lumineux retardés et du signal fugitif non retardé, un signal électrique résultant appliqué pour transmission audit moyen de liaison ( 35 à 39, Fbl), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte, pour chaque signal fugitif, un circuit d'augmentation de la dynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 disposé avant lesdits moyens de conversion électrooptiques pour lesdits (N-1) signaux fugitifs retardés optiquement et avant lesdits moyens de combinaison et de conversion opto-électriques pour ledit signal fugitif non retardé, et en ce que ladite durée To O est choisie égale à la valeur (M-1) T 1 + To.