Brevet FR2899048A1 — publié le 20070928

BB56073 SYSTEME DE COMMUNICATION PAR MULTIPLEXAGE SUR UN RESEAU DE CABLES La présente invention concerne un système de communication par multiplexage superposé sur un réseau de câbles et ayant une pluralité de capteurs permettant de transmettre des signaux de communication à travers le réseau de câbles. Il est à noter que l'on utilise le mot capteur dans la présente description mais que de manière générale il peut s'agir d'un transpondeur Les systèmes de communication par multiplexage sont connus. Généralement, le multiplexage se fait par un accès multiple par répartition dans le temps, connu sous l'acronyme TDMA (de l'anglais pour Time Division Multiple Access). Dans les systèmes conventionnels, le débit de transmission dans ces systèmes diminue en fonction de nombre de capteurs dans le système qui partagent l'accès au réseau dans le temps. De plus chaque capteur doit être synchronisé avec le système en utilisant un protocole. Ceci rend donc ces systèmes conventionnels complexes. Un système de communication superposé sur un réseau de câbles est en soit connu, voir par exemple le document US-A-3 973 240. Ce document décrit un tel système TDMA. Au lieu de l'accès multiple par répartition dans le temps, il est connu d'utiliser une répartition en fréquence (FDMA, pour Frequency Division Multiple Access) ou en code (CDMA, pour Code Division Multiple Access). Toutefois, de tels systèmes nécessitent une fréquence spécifique par capteur ou un code unique par capteur, rendant le système coûteux. RB 1 Par ailleurs, on connaît également des réseaux de câbles qui utilisent la variation de l'impédance d'un émetteur-récepteur dans le but de minimaliser la charge sur le réseau. Par exemple, le document US-A-5 125 006 décrit un émetteur-récepteur à deux états où l'impédance est basse pendant l'émission, et haute pendant la réception afin d'éviter une surcharge sur le réseau. Un autre exemple est connu du document US-A-4 254 501 où l'émetteur-récepteur est configuré afin de minimaliser les réflexions et la charge sur le réseau de câbles. Toutefois, ces réseaux de câble n'utilisent pas le changement d'impédance comme un moyen de communiquer. En fait, habituellement, on cherche à éviter la désadaptation des impédances pour minimaliser les pertes. Ainsi, la réflectométrie est utilisée dans les réseaux de câbles pour la détection et l'identification des défauts ou pour mesurer la longueur des câbles, mais il ne s'agit pas de systèmes de communication superposés sur le réseau de câbles. La présente invention a pour objectif de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. Plus précisément, un des objectifs de la présente invention est de remédier à ces inconvénients par un système de communication superposé sur un réseau de câbles qui est simple, fiable et peu onéreux. Cet objectif ainsi que d'autres sont atteints grâce à un système de communication de signaux numériques par multiplexage à travers un réseau de câbles, le système comprenant : un réseau de câbles ayant n points de terminaison (1, 2, ..., n), une pluralité n de capteurs (al, a2, ., an), chaque capteur étant relié à un point de terminaison correspondant parmi les n points de terminaison, dans lequel chaque capteur peut prendre un état parmi un nombre de p états possible, chaque état 2 correspondant à un niveau d'impédance du capteur et chaque état représentant une valeur d'un signal numérique codé à p niveaux, p étant un nombre entier et p>l, parmi les signaux numériques, une unité centrale (UC) reliée par une pluralité m de points de connexions (pl, p2, ..., pm) au réseau de câbles, un circuit de mesure de paramètres de propagation sur le réseau de câbles, le circuit de mesure étant relié et commandé par l'unité centrale (UI) et étant agencé pour mesurer les paramètres de propagation entre chaque point de terminaison et chaque point de connexion, afin d'établir l'état actuel de chaque capteur afin d'obtenir le signal numérique codé par chaque capteur. Dans un mode de réalisation particulier, le circuit de mesure est agencé pour mesurer les paramètres de propagation entre chaque point de terminaison et chaque point de connexion de sorte à établir un modèle dudit réseau, le modèle se basant sur la connaissance du réseau et de tous les paramètres de propagation qui peuvent être déterminés pour chaque état de chaque capteur, et comprenant un nombre de pn configurations du réseau possibles, et dans lequel l'unité centrale mesure en continu les paramètres de propagation d'une configuration actuelle du réseau et compare les résultats de la mesure au modèle pour en déduire la configuration actuelle parmi les p' configurations possibles, afin d'établir l'état actuel de chaque capteur pour chaque configuration déduite, afin d'obtenir le signal numérique codé par chaque capteur...DTD: Dans un mode de réalisation particulier, les paramètres de propagation sont des paramètres de diffusion (coefficient de réflexion et coefficient de transmission). Dans un autre mode de réalisation particulier, les paramètres de propagation sont des 3 mesures de tension réfléchie ou des mesures de tension transmise. Dans un mode de réalisation particulier, m Chaque capteur peut transmettre un signal de communication sous forme de données codées par l'impédance. En effet, l'impédance du capteur est variée pour coder le signal. Dans l'exemple de données binaires, la valeur 1 peut être encodée par une impédance basse, ou haute, et la valeur 0 peut être encodée par une impédance haute, ou basse. Bien entendu, des données ternaires peuvent être codées en utilisant trois niveaux d'impédance, et d'une façon générale, des données p-naire peuvent être codées en utilisant p niveaux d'impédance, p > 1 et étant un nombre entier. Donc, chaque capteur peut prendre un état parmi un nombre de p états possible, chaque état correspondant à un niveau d'impédance du capteur et chaque état représentant une valeur d'un signal numérique codé à p 25 niveaux. Dans cet exemple, un signal est encodé par un capteur sous forme de données binaires. Dans un mode de réalisation avantageux, le capteur peut entraîner un transistor pour varier l'impédance. 30 Quand le transistor est actif, son impédance est 50Q ce qui représente la valeur 1 des données binaires, et quand le transistor n'est pas actif (circuit ouvert), son impédance est haute, ce qui représente la valeur 0 . La figure 2 montre un exemple d'un circuit de capteurs d'impédance à deux états, où chaque capteur entraîne un transistor pour faire varier l'impédance en fonction du signal de communication à encoder. Dans cet exemple, ce circuit comprend donc trois capteurs (capteurl, capteur2, et capteur3), et chaque capteur est lié à un circuit d'entraînement d'un transistor. La deuxième partie du schéma de base de la figure 1 comprend le réseau de câbles. Le réseau de câbles peut être un réseau quelconque, par exemple un réseau électrique utilisant le câblage du réseau pour transmettre des données informatiques, connu sous l'acronyme CPL pour courant porteur en ligne. Chaque capteur al, a2, ..., an de la première partie est connecté au réseau à un point de terminaison correspondante 1, 2, ..., n du réseau. Le réseau de câbles comprend donc un nombre n points de terminaison, et un capteur est connecté à chaque point de terminaison. Une unité centrale UC est également connectée au réseau de câbles. Le réseau de câbles comporte un nombre m points de connexion pl, p2, ..., pm à une unité centrale, où m pm, où m La figure 4 montre un exemple d'une jonction entre deux points pi et pj, où pi et pj sont des point de connexion du réseau à l'unité centrale UC. Les paramètres de propagation, c'est-à-dire les paramètres de diffusion Sij, peuvent être déterminés par le théorème de Kurokawa selon lequel : B1 = S11 x Al + S12 x A2 (1) B2 = S21 x Al + S22 x A2 où Ai est l'onde incidente sur un point de connexion i, et Bi est l'onde sortante du point i : Vi+Zref,i li Ai = - ù 2 - -IZre/ Vi - Zref,i•li où Vi est la tension moyenne quadratique (rms), Ii est le courant moyen quadratique (rms), et Zref,i est l'impédance de référence du point pi. En général on prend 30 la même impédance pour tous les points de connexion pi : Zref,i = Zref = 50 ohms (2) Bi = ù 2•-\!Zref. 7 10 En utilisant la définition de l'impédance d'entrée Zin,i, donnée par l'équation (3) ci-après, et la loi d'Ohm lorsqu'un point de connexion i est chargé par une impédance Zref, donnée par l'équation (4), ensemble avec les équations (1) et (2), on peut calculer le paramètre Sij entre chaque paire de points Ti, Tj avec l'équation (5) Vi Zin, i -_ ù li Vi = Zref • Ii (4) et Zin,i - Zref S i i = Zin,i + Zref Si = 2' Zin,i Vj [i Zin,i + Zref Vi 15 Ainsi, il est possible de calculer les paramètres de diffusion Sij (les coefficients de réflexion et de transmission) pour chaque jonction d'un réseau de câbles. Il est à noter que dans une variante, on peut 20 également concevoir un réseau de sorte que les caractéristiques physiques du réseau ont un impact direct sur la possibilité de différencier les états des capteurs. Les caractéristiques sur lesquelles on peut jouer pour construire un tel réseau sont : 25 • Les caractéristiques physiques du câble (impédance caractéristique, atténuation, propagation de phase), • Les longueurs de câble des segments du réseau, • La topologie du réseau, • L'homogénéité du réseau, c'est-à-dire l'utilisation 30 de différents câbles pour différentes branches, ou encore (3) (5) 8 • L'introduction d'électronique supplémentaire dans le réseau ou aux points de connexion au réseau. Les caractéristiques du réseau peuvent être statiques ou dynamiques. Si elles sont dynamiques, elles peuvent être modifiées et/ou contrôlées par l'unité centrale. Par exemple, il est possible de prévoir une modification électronique du réseau en branchant un transistor entre deux points de connexion et en faisant commander l'état du transistor par l'unité centrale pour faire varier la topologie du réseau. De même, l'unité centrale peut contrôler les points de connexion pi, i La mesure du coefficient de réflexion peut se faire par exemple en utilisant un circuit de mesure des paramètres de propagation selon l'invention tel que montré à la figure 5. Ce circuit comprend une source d'alimentation Vsource qui fournit un signal sinusoïdal. L'amplitude et la fréquence de ce signal sinusoïdal peuvent être commandées par l'unité centrale UC. L'impédance Ro a une valeur de 50Q. On peut ainsi mesurer le coefficient de réflexion S11 complexe à une fréquence f en fonction du rapport entre la tension réfléchie Vref et la tension incidente Vinc . L'amplitude de S11 est le rapport d'amplitude entre Vref et Vinc, et L'angle de S11 est obtenue en mesurant le déphasage de Vref par rapport à Vinc En pratique, l'unité centrale envoie un signal et mesure le signal réfléchi. Le circuit est branché sur chaque point/jonction à mesurer. Un montage électronique permet de mesurer l'amplitude et le déphasage. 9 Selon l'invention, la mesure de l'amplitude seule, ou la mesure de la phase seule, peut suffire à discerner les états des différents capteurs. En utilisant et l'amplitude et la phase, on peut discerner les capteurs plus efficacement. De même, la mesure de la tension transmise seule ou la mesure de la tension réfléchie seule peut suffire à discerner les capteurs. Ainsi la mesure de la tension incidente n'est pas forcément nécessaire. L'unité centrale UC reçoit les résultats de mesures et peut les analyser pour obtenir les paramètres de propagation. En utilisant des algorithmes de classification par exemple, il est possible d'établir un modèle du réseau sur la base de la connaissance du réseau et les paramètres mesurés. La partie 4 de la figure 1 représente la partie de traitement des paramètres de propagation. Cette partie 4 est donc une partie intégrante de l'unité centrale UC. L'algorithme de classification peut être par exemple 20 un algorithme utilisant des paramètres classificateurs (linéaire, quadratique, par morceau etc.). Avantageusement, la classification comprend deux étapes : une étape d'apprentissage et une étape de traitement. Dans l'étape d'apprentissage, l'unité 25 centrale apprend le système et construit le modèle en se basant sur la connaissance du réseau et les paramètres initiaux mesurés. Dans l'étape de traitement, l'unité centrale mesure les paramètres de propagation actuelle, les traite, et les compare au modèle établi dans l'étape 30 d'apprentissage afin de trouver l'état actuel de chaque capteur, comme cela sera expliqué plus en détail ci-après. En effet, dans l'étape d'apprentissage, chaque état de chaque capteur doit être pris en compte afin de 10 trouver toutes les configurations possibles du réseau de câbles. Par exemple, s'il y a trois capteurs, et chaque capteur a deux états (impédance haute ou impédance basse), il y a 23 = 8 configurations possibles, comme indiquées dans le tableau 1 : Données binaires Impédance_ Configurations Capteur1 Capteur2 Capteur3 Capteur1 Capteur2 Capteur3 1 1 1 1 50Q 50Q 50Q 2 0 1 1 œ 50 Q 50 Q 3 1 0 1 50Q 5062 4 0 0 1 oe oe 50 S2 5 1 1 0 50 52 50Q oe 6 0 1 0 a 50 52 7 1 0 0 50 52 oe oe 8 0 0 0 oe o Tableau 1 : les différentes configurations pour 10 trois capteurs ayant deux états d'impédance Les paramètres de propagation pour ces huit configurations sont montrés à la figure 6 dans une plage de fréquences de 300 kHz à 10 MHz. 15 En général, le nombre de configurations à une fréquence donnée est de p" où p représente le nombre d'états que peuvent prendre chaque capteur, et n représente le nombre de capteurs. Donc, le modèle du réseau de câbles consiste en un 20 ensemble de paramètres de propagation à différentes fréquences. Un modèle utilisant trois fréquences, par exemple 300 kHz, 5 MHz, et 10 MHz, peut ainsi comporter les paramètres de propagation S11, S21 et S22 pour les huit configurations. Un tel modèle comporte donc 72 25 paramètres . S,(c, f) avec (i, .j) E {0,1),(2, 042,2 c E [1, 8] f E [300 kHz,5 MHz,10 MHz] où Sil (c,f) est le paramètre de diffusion Sil pour la configuration c à la fréquence f. Il est à noter que Si] et Sil sont identiques car le réseau est passif. Il est possible de réduire la taille du modèle en réduisant le nombre de paramètres dans le modèle et/ou en ne prenant en compte qu'une partie de l'information des paramètres (magnitude, phase, valeur absolue de la phase). Par exemple, la connaissance de l'amplitude de S11 uniquement peut suffire à différencier les états des capteurs et il n'est alors pas nécessaire de mesurer S21 et S22. De la même manière, la connaissance de l'amplitude de la tension réfléchie peut suffire à différencier les états des capteurs et il n'est pas alors nécessaire de mesurer la tension incidente. A l'initialisation, le modèle est basé sur la connaissance du réseau, telle que la longueur des câbles, par exemple entre les capteurs et les points de connexion à l'unité centrale. Les paramètres de diffusion peuvent être calculés, par exemple par les équations (1) à (5) données ci-dessus, et ensuite stockés dans le modèle. Dans l'étape d'apprentissage, le modèle est mis à jour sur la base des paramètres de diffusion mesurés. Ceci permet de corriger le modèle à cause des variations des paramètres de diffusion, par exemple due au vieillissement ou à un changement de température. A 30 chaque instant qu'une configuration est identifiée, indiquée par la référence cO, les paramètres de diffusion 12 correspondants du modèle sont mis à jour en utilisant les paramètres de diffusion mesurés Sil meas(f) selon un algorithme des moindres carrés (connu sous le terme anglais Least Mean Squares (LMS où u est le pas d'adaptation et peut influencer l'optimisation. Dans l'étape de traitement, l'état actuel du réseau est identifié, c'est-à-dire la configuration actuelle de chaque capteur. Ceci peut être effectué par une classification des paramètres de diffusion mesurés, par exemple en comparant les mesures actuelles au modèle établi pendant l'étape d'apprentissage. Ceci permet d'établir la configuration actuelle par simple comparaison au modèle. En effet, une fois la configuration actuelle établie, c'est-à-dire une fois l'état actuel identifié, comme chaque état de chaque capteur est connu pour une configuration donnée, on connaît l'état de chaque capteur et l'on peut donc immédiatement déduire les données binaires envoyées par chaque capteur. Une possibilité d'établir la configuration actuelle est par l'utilisation d'un algorithme de classification. L'algorithme de classification peut calculer la distance entre les mesures actuelles des paramètres de diffusion Sij meas (f) entrant dans l'unité centrale UC et les paramètres Sii(c,f) stockés dans le modèle pour les différentes configurations, dans cet exemple pour les huit configurations. La configuration ayant la distance la plus petite par rapport aux mesures actuelles est sélectionnée en tant que configuration identifiée c0. Un 13 exemple d'un algorithme pour identifier cO utilisant la distance Euclidienne est : =argmin On comprend qu'ainsi l'unité centrale peut récupérer les données encodées par les capteurs par une identification d'une configuration actuelle et donc de l'état actuel des capteurs. Donc, par une commutation de son état d'impédance, chaque capteur peut encoder un signal de communication. Les capteurs peuvent envoyer les données en continu car le temps de commutation de l'état d'impédance est insignifiant (dans cet exemple, le temps de commutation est le temps de commutation d'un transistor d'un état actif à un état passif). La présente invention permet ainsi un multiplexage simultané par un système simple, qui ne nécessite aucun protocole. La complexité est limitée à l'unité centrale (c'est-à-dire le circuit de mesure des paramètres de propagation et l'unité de traitement des mesures). Bien entendu, la partie de traitement peut être réalisée sous forme d'un programme de logiciel. Etant donné que les capteurs ne transmettent pas de données, mais subissent simplement un changement d'état d'impédance, ces capteurs peuvent être simple car il n'y a pas d'état d'émission ni de réception. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, il est à noter que plusieurs modifications et/ou améliorations peuvent être apportées au système selon l'invention sans sortir du cadre de celle-ci. 14 REVENDICATIONS 1. Système de communication de signaux numériques par multiplexage à travers un réseau de câbles, le système 5 comprenant . un réseau de câbles ayant n points de terminaison (1, 2, ..., n), une pluralité n de capteurs (al, a2, ..., an), chaque capteur étant relié à un point de terminaison 10 correspondant parmi les n points de terminaison, dans lequel chaque capteur peut prendre un état parmi un nombre de p états possible, chaque état correspondant à un niveau d'impédance dudit capteur et chaque état représentant une valeur d'un signal numérique 15 codé à p niveaux, p étant un nombre entier et p>l, parmi lesdits signaux numériques, une unité centrale (UC) reliée par une pluralité m de points de connexions (pl, p2, ..., pm) audit réseau de câbles, 20 un circuit de mesure de paramètres de propagation sur ledit réseau de câbles, ledit circuit de mesure étant relié et commandé par ladite unité centrale (UC) et étant agencé pour mesurer les paramètres de propagation entre chaque point de terminaison et chaque point de connexion, 25 afin d'établir l'état actuel de chaque capteur afin d'obtenir le signal numérique codé par chaque capteur. 2. Système de communication selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit de mesure est agencé pour 30 mesurer les paramètres de propagation entre chaque point de terminaison et chaque point de connexion de sorte à établir un modèle dudit réseau, ledit modèle se basant sur la connaissance dudit réseau et de tous les paramètres de propagation qui 15peuvent être déterminés pour chaque état de chaque capteur, et comprenant un nombre de p" configurations du réseau possibles, dans lequel ladite unité centrale mesure en continu les paramètres de propagation d'une configuration actuelle dudit réseau et compare les résultats de la mesure audit modèle pour en déduire la configuration actuelle parmi les p configurations possibles, afin d'établir l'état actuel de chaque capteur pour chaque configuration déduite, afin d'obtenir le signal numérique codé par chaque capteur. 3. Système de communication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les paramètres de propagation sont des paramètres de diffusion (coefficient de réflexion et coefficient de transmission). 4. Système de communication selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les paramètres de propagation sont des mesures de tension réfléchie ou des mesures de tension transmise. 5. Système de communication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel m 6. Système de communication selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de mesure forme une partie intégrante de ladite unité centrale. 30 7. Système de communication selon l'une quelconque des revendications précédentes , dans lequel ledit réseau de câbles est un réseau électrique courant porteur en ligne 16utilisant le câblage dû réseau pour transmettre des données informatiques. 8. Système de communication selon la revendication 2, dans lequel l'unité centrale est agencée pour utiliser des méthodes de classification pour reconnaître la configuration actuelle du réseau. 9. Système de communication selon l'une quelconque des 10 revendications précédentes, dans lequel le réseau de câble est construit de telle sorte que ses caractéristiques physiques sont définies de sorte que chaque capteur a des caractéristiques uniques de propagation, ce qui permet à l'unité centrale 15 d'identifier chaque capteur de manière unique. 10. Système de communication selon la revendication 9, dans lequel Les caractéristiques dudit réseau sont : • Les caractéristiques physiques du câble (impédance 20 caractéristique, atténuation, propagation de phase) • Les longueurs de câble des segments du réseau • La topologie du réseau • L'homogénéité du réseau • L'introduction d'électronique supplémentaire 25 11. Système de communication selon la revendication 9 ou 10, dans lequel Les caractéristiques du réseau peuvent être statiques ou dynamiques. 30 12. Système de communication selon la revendication 11, dans lequel l'unité centrale est en outre agencée pour contrôler Les caractéristiques du réseau quand celles-ci sont dynamiques. 35 17