Brevet FR2750818A1 — publié le 19980109

DISPOSITIF D'EXTRACTION ET DE SÉPARATION DE SIGNAUX TRANSPORTÉS PAR UNE LIGNE FILAIRE La présente invention concerne l'observation des signaux véhiculés par une ligne de transmission utilisée en mode bidirectionnel simultané. Ce mode de gestion est celui utilisé normalement pour les lignes téléphoniques lorsqu'elles véhiculent des signaux analogiques ou numériques. L'observation des signaux véhiculés par ces lignes est souvent nécessaire pour s'assurer qu'aucun usage illicite n'en est fait. La réalisation la plus courante est le compteur d'impulsions téléphoniques mis en place au domicile de l'abonné pour lui permettre de vérifier sa consommation. Cette application demeure mais, alors qu'elle était très facile à mettre en oeuvre sur les lignes téléphoniques analogiques, elle devient beaucoup plus complexe avec les lignes téléphoniques numériques telles que Numeris en France et peut nécessiter l'insertion d'un dispositif spécifique en coupure sur la ligne. En effet, dans le cas de la téléphonie analogique, les informations de taxation étaient transportées par des signaux très spécifiques et très faciles à identifier sans ambiguïté ni risque d'erreurs. En revanche, dans le cas de Numeris, toutes les informations de signalisation qui transitent sur les lignes et en particulier celles relatives à la consommation et à la taxation, sont encapsulées dans un protocole d'échange de messages et leur l'analyse nécessite l'analyse complète de tous les signaux transportés. L'accumulation de plusieurs applications de même nature risque de dégrader notablement le fonctionnement de la ligne téléphonique. Pour aider à la résolution de ce problème. la présente invention propose un dispositif d'interception des signaux véhiculés par la ligne dans les deux sens de transmission permettant tout traitement ultérieur sur ces signaux sans intervenir de quelque façon que ce soit sur le fonctionnement ou les caractéristiques de la ligne. Un tel dispositif constitue une interface unique avec la ligne téléphonique et sur lequel plusieurs autres dispositifs peuvent être raccordés pour effectuer plusieurs traitements sur les signaux extraits. De plus, un tel dispositif est incapable de se substituer aux équipements normalement raccordés et d'émettre lui-même des appels téléphoniques. Le dispositif présenté fonctionne quelle que soit la nature analogique ou numérique des signaux transmis. En fait, les signaux transmis par une ligne téléphonique sont toujours de nature analogique. On ne parle de signaux numériques que lorsque l'usage d'un modem est nécessaire pour les représenter au moyen de signaux analogiques susceptibles d'être transportés par le support physique de la ligne téléphonique. I1 en est ainsi des transmissions de données ou des transmissions d'images par télécopie sur support analogique et de toute transmission de signal de téléphonie, de télécopie, de transmission de données sur support numérique tel que Numeris. Sur les supports analogiques les modems utilisés sont des dispositifs à modulation d'amplitude, de fréquence ou de phase aux débits de 50 à 28800 bits par seconde. Sur les supports numériques, ce sont généralement des modems fonctionnant en bande de base aux débits de 144, 160 ou 2048 kbits par seconde, pour ne citer que les produits les plus courants aujourd'hui. Les lignes téléphoniques filaires évoquées ci-dessus peuvent se présenter sous la forme de doubles paires de conducteurs, chacune de ces paires assurant la transmission des signaux dans un sens ou dans l'autre, ou sous la forme de paires uniques assurant simultanément les deux sens de transmission des signaux. Bien entendu, les lignes téléphoniques peuvent emprunter d'autres types de supports tels que câbles coaxiaux, guides d'ondes, fibres optiques, câbles hertziens, ondes radio-électriques, mais le dispositif présenté ici ne s'applique qu'au cas de l'usage de paires téléphoniques. Notons au passage qu'une paire téléphonique peut se trouver dans une situation dégradée, ne comportant qu'un seul conducteur et utilisant un retour électrique commun à plusieurs signaux. Le second conducteur de la paire est alors à considérer comme le symétrique électrique du premier par rapport au retour commun. Cette disposition particulière, parfois rencontrée dans des jonctions entre différents équipements, ne fait pas obstacle à l'utilisation du dispositif présenté ici. Parmi les types de modulation présentés plus haut, ce sont en général les plus lents qui sont susceptibles d'être exploités sur des paires bidirectionnelles. L'augmentation du débit transmis rend en effet plus difficile ce type d'exploitation en raison de la perturbation apportée à la réception par les échos provoqués par les signaux émis lorsqu'ils le sont sur le même support physique. La limite est aujourd'hui à 160 kbits par seconde, mais elle est susceptible d'être reculée progressivement. Ainsi qu'il a été dit plus haut, le dispositif présenté peut s'appliquer à tous les types de transmission cités plus haut, sans qu'il s'agisse d'une liste exhaustive, de futures méthodes de transmission présenteront certainement des caractéristiques autorisant la même application. Cependant c'est dans le cas de l'utilisation de modems ou de signaux numériques tels qu'ils ont été présentés plus haut que l'utilisation du dispositif est la plus intéressante et tout particulièrement lors de l'utilisation de paires uniques bidirectionnelles. Dans la situation qui vient d'être évoquée, une ligne téléphonique, pendant la phase de transmission des signaux qui nous intéresse, est un quadripôle présentant son impédance caractéristique Z à chacune de ses extrémités. Les équipements raccordés à chaque extrémité émettent chacun son signal sous une impédance égale à cette impédance caractéristique. La tension électrique et le courant présents en tout point de la ligne sont donc représentatifs de la superposition des signaux émis par les deux équipements d'extrémité. Si U1 et U2 sont les tensions électriques émises par chaque équipement d'extrémité, on peut résumer schématiquement la situation en évaluant à: I=(U1 -U2)/Z la valeur du courant qui circule sur la ligne et à U = (U1 +U2)/2 la valeur de la tension électrique. Un dispositif différentiel permet à chaque équipement d'extraire de la ligne le signal qu'il est censé recevoir. Cette tâche est possible parce que cet équipement, outre les signaux présents sur la ligne, connaît également les signaux qu'il émet lui-même. Les incidences immédiates de la ligne sur ce fonctionnement sont le retard temporel et l'affaiblissement qu'elle impose au transfert des signaux entre les deux équipements d'extrémité. Les équations ci-dessus restent valables en supposant U1 et U2 affectés du retard et de l'affaiblissement provoqués par les sections de ligne séparant le point d'observation de chacun des équipements d'extrémité. Pour qu'un équipement supplémentaire ait la possibilité d'extraire et de séparer les signaux correspondant à chaque sens de transmission, il est nécessaire qu'il ait la connaissance de la tension électrique et du courant en un point quelconque de la ligne, les équations présentées plus haut conduisant immédiatement à: U1=U+Z.I et U2=U-Z.I A ce niveau le retard et l'affaiblissement imposés par la ligne ne changent rien. Dans la réalité, la situation ne se présente pas de façon aussi parfaite car l'impédance caractéristique de la ligne et les impédances d'émission des équipements d'extrémités ne sont jamais parfaitement égales. L'impédance caractéristique de la ligne elle-même n'est pas rigoureusement constante en tous ses points. A chaque point présentant une variation de cette impédance, on observe un affaiblissement du signal transmis, ce qui n'est pas gênant, et une réflexion de ce signal vers l'extrémité qui l'a émis, ce qui l'est beaucoup plus. Ces réflexions étant susceptibles d'être d'autant plus nombreuses que la ligne est plus longue, les signaux reçus par chaque extrémité sont affectés d'un écho et d'une réverbération. Ces phénomènes sont bien connus de tous les spécialistes des transmissions d'information analogique ou numérique et sont normalement corrigés par des mécanismes d'annuleur d'écho pour les premiers et d'égalisation pour les seconds. Le dispositif d'extraction et de séparation des signaux présenté ici n'échappe pas à ces inconvénients, chaque signal U1 ou U2 restitué résultant en fait de la superposition de différentes occurrences des signaux U1 et U2 émis, ces occurrences étant elles-mêmes affectées de différents retards temporels. L'application des équations permettant de retrouver U1 et U2 à partir de U et I ne résoud rien d'un point de vue qualitatif, mais cela permet de faire le plus gros du travail . En fait, il en est exactement de même pour les dispositifs différentiels mis en oeuvre dans les équipements d'extrémité eux-mêmes. Ils n'éliminent pas les échos, ils ne font que les réduire à un niveau permettant aux annuleurs d'écho qui existent dans les équipements de fonctionner correctement. Le dispositif présenté ici se trouve dans la même situation et fait usage des mêmes procédés d'égalisation et d'annulation d'écho qui ne font donc pas partie de la présentation qui en est faite ici. Le problème posé par la mise en oeuvre du dispositif présenté ici est l'extraction de la tension électrique et du courant présents en un point d'une ligne téléphonique sans interaction avec la situation et le fonctionnement de cette ligne. La figure 1 expose le schéma général du dispositif. La valeur U de la tension électrique présente sur la ligne (1) est obtenue au moyen du raccordement en dérivation d'un amplificateur à haute impédance d'entrée muni d'un transformateur d'isolement (2). La valeur I du courant électrique portée par la ligne est obtenue au moyen d'un transformateur de courant à basse impédance et d'un amplificateur (3). Comme décrit dans la figure 4, l'insertion sans coupure du transformateur de courant en série sur la ligne est possible en utilisant un noyau magnétique (4) composé de deux parties permettant l'ouverture du circuit magnétique et sa fermeture sur un bobinage (5) constituant le secondaire et un petit nombre de spires (6) formées avec les fils de la ligne (1) pour constituer le primaire. La valeur de la tension et du courant, associée à la connaissance de l'impédance de fonctionnement de la ligne permet par somme et différence de déterminer la valeur des signaux véhiculés dans chaque sens. L'observation de la tension électrique ne pose pas de problème et est résolue de façon classique par l'utilisation d'un amplificateur à grande impédance d'entrée tel que présenté de façon non exclusive sur la figure 2. Une impédance de l'ordre de 40 fois l'impédance caractéristique de la ligne est suffisante pour ne pas perturber la nature et le gabarit des signaux transmis. Dans le schéma décrit par figure 2, l'utilisation de résistances passives (7) et (8) pour l'impédance d'entrée de l'amplificateur (9) garantit que cette impédance demeure et donc que le fonctionnement de la ligne (1) n'est pas perturbé quand le dispositif est raccordé mais est hors fonctionnement. L'amplificateur lui-même fonctionne avec une impédance d'entrée nulle. I1 s'agit d'un amplificateur opérationnel raccordé directement au secondaire du transformateur (10) et la valeur de son gain est déterminé par sa résistance de bouclage (11). Cette disposition limite les effets de filtrage passe-bas dus à la capacité parasite du transformateur (10) et à la forte valeur de l'impédance de raccordement constituée par les résistances (7) et (8). L'observation du courant présent sur la ligne nécessite l'insertion d'une impédance en série dans la ligne. Une impédance d'une valeur inférieure à 2% de l'impédance caractéristique ne perturbe pas le gabarit des signaux transmis. Le schéma électrique de la figure 3 donne un exemple non exclusif de réalisation d'un tel dispositif. Le transformateur de courant (12) présente un nombre de tours faible au primaire et un nombre de tours important au secondaire. Cette disposition lui permet de ramener au primaire une impédance égale à l'impédance vue par son secondaire divisée par le carré de ce rapport. Dans le schéma décrit par la figure 3, l'impédance au secondaire du transformateur (12) est très faible, l'impédance ramenée au primaire est donc pratiquement nulle. L'impédance au secondaire est, en effet, l'impédance d'entrée, pratiquement nulle, de l'amplificateur (13), constitué, comme l'amplificateur (9) de la figure 2, d'un amplificateur opérationnel connecté directement au transformateur et bouclé par la résistance (14) qui détermine la valeur de son gain. L'insertion du transformateur de courant (12) dans la ligne (1) se fait facilement sans coupure en écartant suffisamment les deux fils de la paire pour en former une ou deux spires (6) placées dans noyau magnétique (4) constitué de (2) demi-pots ou demi-tores ou tout autre forme semblable (voir la figure 4). Le secondaire (5) du transformateur est lui-même placé dans le noyau magnétique avant sa fermeture. Cette disposition ne garantit pas que l'impédance ramenée dans la ligne reste suffisamment faible quand le dispositif n'est pas en fonctionnement. Pour cela il faut ajouter entre les accès de l'amplificateur de courant un contact de repos de relais ou un limiteur de tension (non représenté sur la figure). Les signaux U1 et U2 sont obtenus au moyen de circuits additionneurs classiques tels que présentés sans caractère d'exclusivité par les schémas de la figure 5. Une solution alternative consiste à effectuer l'échantillonnage et la conversion analogiquenumérique de ces signaux pour en suite les traiter dans le dispositif numérique ou informatique utilisé pour l'analyse ultérieure. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'extraction et de séparation des signaux présents sur une ligne de transmission filaire (1) caractérisé en ce qu'il repose sur l'observation simultanée de la tension U et du courant électrique I en un point unique de la ligne et sans nécessiter la coupure physique d'aucun fil de celle-ci, en ce que l'observation du courant électrique présent sur la ligne procède de l'utilisation d'un transformateur de courant (12) constitué au primaire d'un petit nombre de spires (6) faites sans coupure en plaçant le ou les fils de ligne dans un noyau magnétique (4) composé de deux parties séparables, et en ce que l'impédance ramenée en série sur la ligne par le mécanisme d'observation du courant est constamment maintenue à zéro ou à une valeur négligeable par la présence continuelle d'une impédance nulle ou très faible au secondaire du transformateur de courant (12). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'observation de la tension U de la ligne (1) procède de la connexion d'un amplificateur dont l'impédance ramenée en parallèle sur la ligne est constamment maintenue à une valeur suffisante pour ne pas perturber le fonctionnement de la ligne par l'usage de composants résistifs passifs (7) et (8) et en ce que l'isolation galvanique entre ligne et équipement d'observation de la tension est assurée par un transformateur (10) fonctionnant à très basse impédance pour éviter l'effet de filtrage passe-bas de ses capacités parasites. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les signaux U1 et U2 émis par chacun des équipements d'extrémité sont reconstitués à partir des signaux U et I fournis par les sondes de tension et de courant au moyen de circuits additionneur et soustracteur classiques. 4. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les signaux U1 et U2 émis par chacun des équipements d'extrémité sont reconstitués à partir des signaux U et I fournis par les sondes de tension et de courant au moyen de circuits additionneur et soustracteur numériques ou informatiques. 5. Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce qu'il est associé à un égaliseur et un annuleur d'écho classiques de façon à obtenir des signaux U1 et U2 débarrassés de réverbération et d'écho. 6. Dispositif selon tout ou partie des revendications 3 et 4 caractérisé en ce qu'il est utilisé pour extraire et séparer les signaux des deux sens de transmission d'une liaison téléphonique analogique. 7. Dispositif selon tout ou partie des revendications 3 et 4 caractérisé en ce qu'il est utilisé pour extraire et séparer les signaux des deux sens de transmission d'une liaison téléphonique exploitée en transmission de données par modem. 8. Dispositif selon tout ou partie des revendications 3 et 4 caractérisé en ce qu'il est utilisé pour extraire et séparer les signaux des deux sens de transmission d'une liaison téléphonique numérique.