Brevet FR2870654A1 — publié le 20051125

Dispositif de couplage pour modem à courants porteurs La présente invention concerne un dispositif de couplage pour modem à courants porteurs. Dans l'état de la technique, on connaît des systèmes de transmission de données numériques qui utilisent le réseau d'alimentation en courant alternatif comme canal de transmission. Un équipement de communication par courants porteurs comporte donc ainsi qu'il est connu: - un circuit de modulation et de démodulation d'une io porteuse, circuit dénommé modem , et qui échange des données numériques avec un équipement transmetteur de données numériques comme un automate ou un ordinateur; - un dispositif de couplage du modem à la ligne électrique du réseau d'alimentation en courant alternatif. is Particulièrement, la présente invention se situe dans l'environnement de la norme CENELEC EN50065 aux termes de laquelle on pourra se reporter. Dans l'état de la technique, on connaît déjà des circuits de couplage adaptés à des modems prévus notamment pour fonctionner sur des signaux échangés dans des réseaux de communication par réseaux porteurs. On se reportera par exemple au document ST7537HS1 Home Automation Modem de la société SGS-Thomson publié en juin 1995. Particulièrement à la page 8 du document est décrit un dispositif de couplage entre une borne d'émission ATO et une borne de réception RAI d'une part et la ligne d'alimentation en courant alternatif 50-60 Hz par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement. La voie d'émission est ensuite amplifiée de façon à apporter un gain maximal en tension au signal de transmission. Puis, les deux voies d'émission et de transmission sont ensuite connectées sur un dipôle de filtrage de type LC série. La sortie du dipôle de filtrage est connectée sur un premier enroulement du transformateur d'isolement. Le second enroulement du transformateur est connecté entre phase et neutre sur la ligne du réseau d'alimentation en courant alternatif. Or, les caractéristiques de modulation correspondent à un schéma de modulation de deux valences bit_0 et bit_1 qui sont représentées par une première et une seconde fréquences réparties autour d'une fréquence centrale qui est aussi la fréquence de modulation d'une onde rectangulaire. Il en résulte une répartition de lobes secondaires autour de la bande de base, caractéristique de ce type de modulation. Or, io les normes de transmission de données déterminent des gabarits de signaux selon des zones fréquentielles déterminées qui sont de plus en plus délicats. Il existe un réel besoin d'améliorer les caractéristiques d'émission pour éviter de polluer des bandes de fréquences voisines du signal autorisé. Par ailleurs, le couplage du circuit d'émission à la ligne en courant alternatif pose un problème particulier en cas de court-circuit ou d'impédance trop faible. La transmission est alors inefficace. La présente invention apporte remède à ces inconvénients de l'état de la technique. En effet, la présente invention concerne un dispositif de couplage d'un modem à courant porteur à une ligne d'alimentation en courant alternatif, du genre comportant: un transformateur d'isolement dont un enroulement est connecté à la ligne d'alimentation; un circuit pour injecter un signal de transmission connecté à un autre enroulement du transformateur, ledit signal de transmission étant produit par un modem selon au moins une caractéristique temporelle et fréquentielle prédéterminée. Le dispositif de l'invention est caractérisé en ce que le circuit pour injecter un signal de transmission comporte un moyen pour renforcer au moins une partie fréquentielle du signal de transmission en amont du transformateur d'isolement. Selon d'autres aspects de l'invention: - le circuit pour injecter un signal de transmission comporte un amplificateur de tension; l'amplificateur comporte au moins un étage de filtrage qui précède l'application d'un gain en tension; - l'étage de filtrage comporte une partie réactive de module prédéterminé ; - la partie réactive est constituée par un filtre passe-bande, dont la fréquence centrale est constituée par une fréquence caractéristique de la modulation du signal de transmission; - le circuit pour injecter un signal de transmission comporte un moyen de couplage fort avec la ligne de transmission le dispositif étant du genre comportant aussi un autre circuit pour recevoir un signal de réception depuis la ligne, le circuit pour recevoir un signal de réception comporte un moyen de couplage faible avec la ligne de transmission; - le moyen de couplage faible comporte aussi un étage de filtrage présentant un minimum d'atténuation pour au moins une caractéristique spectrale de la modulation attendue; - l'étage de filtrage comporte au moins une cellule 20 associée à une raie spectrale. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 représente un schéma de l'état de la 25 technique; - la figure 2 représente un circuit adapté à la réalisation de l'invention; - la figure 3 représente la densité spectrale de puissance émise dans un cas typique de l'état de la technique et dans le cas 30 de l'application de l'invention; - la figure 4 représente un mode de réalisation du circuit d'émission d'un dispositif selon l'invention; - la figure 5 représente un circuit de réception selon l'invention; - la figure 6 représente un filtre adapté du circuit de la figure 5. A la figure 1, on a représenté un schéma d'un dispositif représentatif de l'état de la technique. Un modem 1 produit sur une borne de sortie 2 un signal en modulation FSK centré autour d'une fréquence fp = 132,5 kHz. Dans le signal de modulation, un bit série à 0 est codé par une fréquence de fp df/2 et un bit série à 1 est codé par une fréquence de fp + df/2. Enfin un autre paramètre essentiel est le débit de transmission d qui io compte le nombre de valences du message qui sont transportées par le signal de la succession de bits à 0 et de bits à 1 par unité de temps. Dans d'autres modes de réalisation, plusieurs caractéristiques fréquentielles se trouvent combinées dans le signal de transmission. C'est le cas dans des modulations à plusieurs porteuses par exemple. Dans de tels modes de réalisation, les moyens de l'invention, qui seront décrits ci-après pour la seule modulation FSK, sont étendus s'il s'agit de fréquences voisines ou bien répétés pour chaque caractéristique fréquentielle de modulation, comme une pluralité de porteuses sur des fréquences et/ou des phases différentes. L'invention peut donc trouver application à des modulations multiporteuses par exemple une modulation multiplexée par division de fréquences orthogonales (OFDM). Dans le cas d'une telle modulation, le filtre exploité par le circuit d'interface de ligne d'un mode de réalisation de l'invention est constitué par un filtre passe-bande conçu de la manière enseignée pour la modulation FSK, mais dans lequel les deux fréquences de spécification du filtre sont la fréquence la plus basse et la fréquence la plus haute, le gabarit du filtre étant aussi plat que possible entre ces deux fréquences caractéritiques du gabarit de sorte qu'il couvre l'ensemble des porteuses. Dans l'état de la technique, le circuit d'interface 3 comporte essentiellement: É Un premier circuit de transmission 4; É Un second circuit de réception 5; É Un filtre dipolaire 6; et É Un transformateur de couplage 7 sur la ligne 8 entre phase et neutre sur le réseau de distribution de courant alternatif. Le second circuit de réception 7 prend le signal sur une borne du filtre dipolaire 6 et est connecté sur une borne d'entrée 9 du modem 1. Le modem 1 est par ailleurs connecté à une ligne 10 de données numériques exploitée par un équipement transmetteur de io données ainsi qu'il est connu. Les données binaires peuvent ainsi être émises et reçues depuis la ligne en courant alternatif 8. Sur la voie d'émission, on remarque que le filtre se trouve en aval de l'amplification appliquée par l'amplificateur 4. Une telle solution est rendue possible en poussant le gain du circuit d'émission en amont de façon à travailler en voie de réception en tenant compte de l'affaiblissement introduit par le filtre aval. Or, ainsi qu'il a été indiqué plus haut, le gabarit du spectre en fréquence d'émission devient de plus en plus contraignant. Il en résulte que, le filtre travaillant comme un passe bande il affaibli les fréquences au-delà de la bande de base moins bien puisqu'elles sont elles-mêmes amplifiées sur la partie amont du circuit d'émission. Par ailleurs, le réseau d'alimentation domestique présente une désadaptation d'impédance dépendant des charges électriques qui sont réellement connectées et particulièrement des autres modems à courant porteur. Cette dispersion pourrait être dans une certaine mesure combattue par une phase de configuration logicielle et matérielle. Mais la mesure de correction n'est pas toujours efficace et elle introduit une indisponibilité lorsqu'elle devient nécessaire. Enfin, cette configuration n'est pas envisageable pour les produits grand public qui doivent être largement auto installables . Dans un mode de réalisation, l'invention propose un remède à cet état de la technique en réalisant un filtrage immédiat de sorte qu'une amplification ne soit appliquée qu'aux composantes fréquentielles qui ont passées le filtrage. A cette fin, le filtre passe-bande 12 est connecté à la borne de sortie 2 de transmission du modem 1 et le signal de transmission filtré est alors connecté à une entrée d'un circuit de transmission proprement dit 13 qui est ensuite connecté à un point chaud de l'enroulement du transformateur 7. A la figure 3, on a représenté en superposition l'amplitude fréquentielle A sur un signal modulé en modulation FSK à une lo fréquence centrale fc de 132,5 kHz dans lequel les bits à 1 sont représentés par une fréquence de fi = 133,1 kHz et les 0 sont représentés par une fréquence de fo = 131,9 kHz. En utilisant le circuit d'interface de la figure 1, on obtient un diagramme fréquentiel 15 tandis que en utilisant le circuit d'interface de la figure 1, on obtient un diagramme fréquentiel 16. Les différences entre les deux diagrammes sont les suivantes: - on obtient un affaiblissement des lobes de modulation autour des la fréquence centrale (f0 n.d, ou f1 n.d) ; - on obtient un meilleur affaiblissement des harmoniques d'ordre 2, 2xfc, et suivantes, 3xfc, ... que ce soit sur des signaux tout à 1 ou des signaux tout à 0 ; - on obtient un gain supérieur sur l'harmonique d'ordre 1; - on utilise un filtre qui présente une caractéristique passe-bande avec un équilibre des poids de 0 et de 1 avec un même affaiblissement pour fo et pour fi d'une part et une pente raide au-delà de [fo, fi] ; grâce au circuit de la figure 2. Or, le bruit de modulation est produit par les transitions de valeur de bits ( 0 à 1 ou 1 à 0 ) et sa forme spectrale est une série de lobes situés autour des fréquences fo et fi et espacés d'une fréquence égale à la vitesse de modulation ou débit de symbole (symbol rate). A la figure 4, on a représenté un circuit de filtrage 12 disposé en amont d'un circuit d'amplification 13 qui constituent ensemble un circuit de transmission du dispositif d'interface selon l'invention. La borne d'entrée 18 reçoit un signal de modulation FSK, par exemple du genre décrit à l'aide de la figure 3, de la borne de transmission 2 du modem de la figure 2. Elle est connectée à un premier étage d'adaptation, 19 23. Dans un mode de réalisation, l'étage d'adaptation comporte un amplificateur opérationnel 19 dont une borne d'entrée positive est directement connectée au signal d'entrée 18 et une borne d'entrée négative est connecté à io un réseau résistif qui permet de le constituer en soustracteur d'une niveau de tension de référence de masse 32 pris sur la masse du modem 2 par exemple. Le réseau résistif comporte une résistance 20 connectée sur la borne d'entrée positive de l'amplificateur 19, une résistance 21 connectée à la borne d'entrée négative de l'amplificateur et à la borne 32 de tension de référence de masse et une résistance 22 connectée ainsi qu'il est connu entre la borne de sortie de l'amplificateur 19 et la borne d'entrée négative. Le signal de sortie du premier étage est alors transmis via une résistance 23 à l'entrée d'un filtre actif composé d'un réseau LC parallèle pour réaliser un filtre passe bande centré sur une fréquence de référence comme la fréquence centrale de modulation FSK de 132,5 kHz, par exemple avec un écart à demie puissance de 1,2 kHz pour coder les bits à 0 et à 1 . Le circuit de filtrage 24 30 comporte un filtre actif d'ordre 1 comportant un amplificateur opérationnel 24 dont l'entrée positive est chargée par le signal à filtrer d'une part et par le réseau 25 composé de la mise en parallèle d'un condensateur 26 et d'une self 27 de sorte que le produit LC soit adapté à un filtre passe-bande permettant d'obtenir l'effet amont de suppression des lobes secondaires des harmoniques supérieures vues à l'aide de la figure 3. Du fait que le transformateur 7 est connecté sur un régime de masse flottante, il est prévu de raccorder le filtre actif à la masse flottante 32 d'une part et à un potentiel de référence qui est soustrait du niveau d'entrée par un réseau résistif de résistance 29 et 28 dont le point milieu est connecté à la borne négative de l'amplificateur 24 et la résistance 28 étant connectée à la référence de masse 32 et la résistance 29 à un potentiel de référence 31. Dans un mode de réalisation, la borne 31 est connectée à un potentiel de référence utilisé dans le circuit d'amplification disposé en aval. Dans un mode de réalisation, le potentiel de référence 31 est alors choisi sur le point central d'une structure amplificatrice de type push-pull . io Selon une autre caractéristique de l'invention, la disposition de l'amplificateur 13 est calculée de sorte que l'écrêtage du signal de transmission soit évitée même pour une impédance de transfert nulle. Il est alors possible de minimiser le problème du noeud caché dans lequel un appareil consommateur de courant sur la ligne tire tout le courant d'émission et empêche que les récepteurs du signal modulé soient en mesure de détecter le signal transmis. Pour une telle mesure, et du fait que le filtrage 12 est placé en amont de l'amplification 13, le fait de placer l'amplificateur 13 en aval du filtre, on contrôle l'amplificateur de sorte qu'il émet un signal d'amplitude maximale juste sous la saturation du primaire du transformateur de couplage 7. On n'amplifie plus, contrairement à la disposition de l'état de la technique, les lobes latéraux qui encombrent, parfois de manière en contradiction avec les normes de transmission par courant porteur, le spectre des fréquences sur la ligne d'alimentation 8. Par contre, la bande étroite centrée autour de fo = 132,5 kHz, est seule amplifiée au maximum de gain possible sous la saturation. Il est ainsi possible d'assurer une bonne qualité de service même si l'impédance de transfert est quasi nulle à cause d'un récepteur à courant porteur ou d'une charge électrique en court-circuit sur la ligne d'alimentation 8. Pour assurer une qualité de service élevée, l'amplificateur de puissance 13 est déterminé de façon qu'il présente une bonne linéarité jusqu'aux gains les plus élevés permettant d'atteindre la pleine échelle du signal de transmission. De plus, le transformateur de couplage 7 avec la ligne d'alimentation 8 est dimensionné de sorte que le couplage du circuit de transmission 12, 13 soit un couplage serré. Pour garantir un tel couplage, la s capacité d'un condensateur de couplage connecté au secondaire (vers les récepteurs) du transformateur 7 est calculée en tenant compte de l'éventualité d'une impédance de transfert en transmission quasi nulle. Par ailleurs, un dispositif de couplage d'un modem à io courant porteur peut utiliser un circuit 5 (Figure 1) de réception classique. Mais, il sera mieux traité en disposant un circuit de réception représenté selon la figure 5. A la figure 5, on a représenté un mode de réalisation d'un circuit de réception adapté à un dispositif de couplage de ligne selon l'invention et qui comporte: - un moyen 35 pour produire un couplage lâche avec la ligne de transmission 8: - un moyen de filtrage 36 adapté aux caractéristiques de la modulation FSK; - un moyen d'amplification avec un filtre passe-bande. Si on considère le moyen de filtrage 36, on utilise un moyen de filtrage passif et non pas un filtre actif parce que, notamment du fait que l'on recherche un couplage faible en réception, les inventeurs ont découverts que l'utilisation d'un filtre actif conduirait: à des situations de saturations à cause de fortes interférences qui peuvent toujours survenir sur une ligne d'alimentation électrique sur le réseau domestique; à un risque de destruction à cause des régimes transitoires qui 30 peuvent apparaître notamment lors de la mise en route d'une charge inductive sur la ligne d'alimentation ou lors d'un défaut de ligne qui conduit à un déclenchement différentiel. Particulièrement, à la figure 5, on a séparé les moyens de couplage 35 et le moyen de filtrage 36. Mais, l'homme de métier i0 tiendra compte du fait que notamment la capacité du filtre passif 36 joue un rôle dans le caractère lâche des moyens de couplage 35. A la figure 6, on a représenté un filtre passif comportant la 5 mise en parallèle: - d'un circuit série, composé d'un condensateur 39 et d'une bobine 38; - d'un circuit parallèle, composé d'un condensateur 40 et d'une bobine 41. La tension Vin aux bornes de la bobine 38 est fournie par l'enroulement primaire du transformateur de couplage (non représenté à la figure 6) tandis que la tension Vout filtrée est appliquée aux bornes d'entrée d'un étage d'amplification 37 ou directement à l'entrée 9 du modem 1 (Figure 5) . Le filtre passif 38, 41 présente une caractéristique sensiblement plate de part et d'autre de la fréquence centrale de modulation FSK, de sorte que le digit à 0 et le digit à 1 , soit respectivement à la fréquence f0 df/2 et à la fréquence f0 + df/2 soient transmis au modem avec le même affaiblissement, aussi réduit que possible. Pour f0 = 132,5 kHz et df/2 = 600 Hz, qui correspond à une norme CENELEC, on a choisi les valeurs de: Selon l'invention, un circuit de couplage pour modem à courants porteurs comporte une voie d'émission 12, 13 qui comporte un filtre adapté 12 en amont d'un amplificateur 13 connecté à la ligne d'alimentation 8 par un couplage fort 7 tandis que la voie de réception 35-37 comporte un filtre passif 36 à deux raies connecté à la ligne d'alimentation par un couplage faible 7. Inductance 38 1,81 mH Capacité 39 470 pF Inductance 40 240pH Capacité 41 5 nF Il REVENDICATIONS 1 - Dispositif de couplage (3) d'un modem à courant porteur (1) à une ligne d'alimentation (8) en courant alternatif, du genre comportant: s un transformateur d'isolement (7) dont un enroulement est connecté à la ligne d'alimentation (8) ; - un circuit pour injecter un signal de transmission connecté à un autre enroulement du transformateur, ledit signal de transmission étant produit (2) par le modem (1) selon une caractéristique temporelle et fréquentielle prédéterminée; caractérisé en ce que le circuit pour injecter un signal de transmission comporte un moyen (12, 13) pour renforcer au moins une partie fréquentielle du signal de transmission en amont du transformateur d'isolement. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit pour injecter un signal de transmission comporte un amplificateur de tension (13). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur comporte au moins un étage de filtrage (12) qui précède l'amplificateur (13). 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étage de filtrage (12) comporte une partie réactive de module prédéterminé. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie réactive est constituée par un filtre passe-bande, dont la fréquence centrale est constituée par une fréquence caractéristique de la modulation du signal de transmission. 6 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit pour injecter un signal de transmission comporte un moyen de couplage fort avec la ligne de transmission. 7 Dispositif de couplage (3) d'un modem à courant porteur (1) à une ligne d'alimentation en courant alternatif (8), du genre comportant: un transformateur d'isolement (7) dont un enroulement est connecté à la ligne d'alimentation (8) ; un circuit pour recevoir un signal de réception depuis la ligne pour injecter un signal de transmission connecté à un autre enroulement du transformateur, ledit signal de transmission étant produit par un modem émetteur connecté à la ligne d'alimentation selon une caractéristique temporelle et fréquentielle prédéterminée; caractérisé en ce que le circuit pour recevoir un signal de réception comporte un moyen de couplage faible avec la ligne de transmission. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit pour recevoir un signal de réception comporte aussi un étage de filtrage passif (36) présentant un minimum d'atténuation pour chaque valence du signal de réception dans la modulation attendue. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étage de filtrage comporte au moins une cellule (38, 39; 40, 41) associée à une valence du signal de transmission. 10 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 et selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte à la fois une voie d'émission (12, 13) et une voie de réception (35 - 37). 11 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est adapté à une modulation multiporteuse pour transmission par lignes à courants porteurs comme une modulation à multiplexage fréquentiel orthogonal OFDM. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le filtre présente un gabarit défini par la fréquence la plus faible et la fréquence la plus forte de l'ensemble des porteuses de modulation, et en ce qu'il présente entre ces deux fréquences une section plate pour couvrir l'ensemble des porteuses.