Brevet FR2961981A1 — publié le 20111230

Emulateur numérique de canal de transmission 10 La présente invention concerne de manière générale le domaine des télécommunications. Ce domaine comprend le domaine des communications 15 sans fil (systèmes WiFi, téléphonie mobile, WiMax, etc.) et les communications filaires (xDSL, communications sur câble coaxial, systèmes à Courant Porteur en Ligne (CPL)). On rappelle tout d'abord qu'un système de communication peut être analogique ou numérique. Dans le second cas, un signal reçu est numérisé à 20 l'aide d'un convertisseur analogique numérique (CAN), pour être traité à l'aide d'un processeur de signal numérique, et un signal numérique à transmettre est converti à l'aide d'un convertisseur numérique analogique (CNA) avant sa transmission. Un système de communication transmet des données sur un medium, 25 appelé canal de transmission. Le canal de transmission apporte des distorsions au signal transmis, dues à l'atténuation du signal et la présence de trajets multiples de propagation. En outre, le canal de transmission ajoute différents types de bruit au signal utile. Par exemple, un bruit de fond et des interférences à bande étroite s'appliquent aux canaux sans fil et filaires. De plus, les canaux 30 filaires subissent les effets de bruits impulsifs générés par les équipements connectés ou situés à proximité du medium de transmission. Des exemples de supports de transmission filaires sont la paire de cuivre téléphonique pour les 15 systèmes xDSL et le réseau de distribution électrique pour les systèmes à courant porteur en ligne CPL. Afin de concevoir des systèmes de communication adaptés au milieu de transmission et exploitant ses caractéristiques de manière optimale, on établit généralement des modèles de canaux représentatifs des phénomènes physiques de transmission. Deux types de modèles existent. Les modèles empiriques statistiques reproduisent les fonctions caractéristiques du canal de transmission de manière aléatoire, en respectant un certain nombre de ~o statistiques observées sur un ensemble de mesures. Les modèles déterministes se basent sur une description fine du milieu de transmission (par exemple, la topologie d'un réseau filaire), et reproduisent les effets du canal dans un milieu donné en tenant compte des interactions physiques à petite échelle. 15 Outre la conception de nouveaux systèmes, les modèles de canal permettent de tester les performances des systèmes existants et de valider les produits en configuration réaliste. Pour réaliser des tests sur des systèmes en temps réel, il est nécessaire d'implémenter les modèles de canal sous forme matérielle, de manière analogique ou numérique, dans un équipement appelé 20 émulateur de canal. Un exemple de modèle de canal filaire analogique est le simulateur de câble pour le système xDSL, qui comprend des composants analogiques interconnectés par des relais permettant de simuler différentes longueurs de câble. Les systèmes numériques correspondent à une implémentation sur un 25 processeur de signal numérique. L'avantage de réaliser des tests sur un émulateur matériel de canal réside dans le fait que les conditions de test sont maîtrisées et reproductibles, ce qui n'est pas le cas lors de tests sur des canaux réels, car les caractéristiques du canal de transmission peut évoluer de façon non négligeable dans le temps. 30 On s'intéresse plus particulièrement aux émulateurs numériques de canal. Des solutions partielles d'émulateur de canal numérique existent et se limitent à des reproductions des modèles mathématiques des filtres représentant les canaux sur des circuits programmables. Les articles [C. Briso-Rodriguez and J. 1. Alonso-Montes, Multipath hardware and software mobile channel simulator, IEEE Vehicular Technology Conference, vol. 4, pp. 3060-3063, May 2001] et [A. Dassatti, G. Masera, M. Nicola, et al, High performance channel mode/ hardware emulator for 802.11n, IEEE International Conference on Field-Programmable Technology, pp. 303-304, Dec. 2005] présentent des exemples de ces implémentations matérielles de filtres numériques. Un émulateur numérique de canal a été proposé dans le projet OPERA [1ST lntegrated Project No 026920, OPERA, Deliverable of task 7.2, Design and Implementation of the Channel Emulator, May 2008]. Cette solution comprend : - la conversion analogique-numérique (CAN) d'un signal d'entrée et la conversion numérique-analogique (CNA) d'un signal de sortie, - le traitement du signal numérisé et quantifié afin de simuler l'effet du 15 canal de transmission, a l'aide d'un filtre numérique et l'ajout d'un bruit numérique. La figure 1 présente la structure de l'émulateur de canal proposé dans le projet OPERA. Cette solution présente plusieurs inconvénients : 1/ l'émulateur est composé de 2 lignes de transmission indépendantes, 20 l'une pour la transmission dans une première direction ("forward channel") et l'autre dans une seconde direction ("backward channel"). A chaque extrémité, l'émulateur communique avec le modem sous test via deux ports indépendants : un port d'entrée et un port de sortie. L'utilisation d'un tel émulateur n'est donc pas adaptée au test d'un modem du commerce ou d'un prototype industriel, car 25 dans la pratique, les modems ne disposent que d'un unique port utilisé pour l'entrée et pour la sortie. 2/ Un modem CPL ne comporte qu'un seul port, constitué par une prise secteur mâle, qui remplit les fonctions de port d'entrée des données, de port de sortie des données, et de port d'alimentation électrique. L'émulateur décrit ci- 30 dessus ne permet pas de tester un modem CPL de façon non-invasive, c'est-à-dire sans démonter et modifier le modem sous test, car il ne prévoit pas la fonction d'alimentation des modems. 3/ Comme on l'a vu, pour tester un modem du commerce à l'aide de l'émulateur décrit ci-dessus, il est nécessaire de démonter le modem sous test, afin de relier les entrées et sorties du modem aux sorties et entrées correspondantes de l'émulateur. Dans ces conditions, le modem sous test ne répond plus aux normes de compatibilité électromagnétiques selon lesquelles il a été développé. En particulier, le modem démonté peut émettre un rayonnement électromagnétique indésirable. D'autre part, ce rayonnement favorise la communication directe entre les deux modems sous test par couplage électromagnétique, ce qui compromet l'efficacité de la fonction de 1 o filtrage réalisée par l'émulateur. 4/ la nécessité de modifier les modems sous test exclut toute utilisation de l'émulateur pour des tests de conformité aux normes d'utilisation avant le déploiement des produits au grand public. En effet, de tels tests de conformité nécessitent de respecter l'intégrité des produits sous tests. 15 La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients de la technique antérieure en fournissant un émulateur de canal de transmission comportant un module de filtrage numérique comportant au moins deux ports d'entrée/sortie 20 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module de couplage directionnel comportant : - un premier port d'entrée-sortie apte à être connecté à un port d'entrée-sortie d'un modem, - un second port d'entrée-sortie connecté à l'un des ports d'entrée-25 sortie du module de filtrage numérique, et caractérisé en ce que l'au moins un module de couplage directionnel autorise une transmission de signal uniquement depuis une entrée de son premier port d'entrée-sortie vers une sortie de son second port d'entrée-sortie et depuis une entrée de son second port d'entrée-sortie vers une sortie de son 30 premier port d'entrée-sortie. L'émulateur selon l'invention permet de faire communiquer deux modems du commerce en temps réel sans devoir les modifier. Ainsi, il répond au besoin d'avoir une solution intégrée d'émulation de canal de transmission, qui permette un branchement simple des modems du commerce ou des prototypes industriels, tout en reproduisant de façon réaliste les effets du canal de transmission, et ce de façon reproductible. Selon une caractéristique préférée, l'émulateur selon l'invention comporte en outre au moins un module de connexion apte à être interposé entre le premier port d'entrée-sortie de l'au moins un module de couplage et le port d'entrée-sortie d'un modem. ~o Le module de connexion permet de connecter un modem de type CPL. Selon une caractéristique préférée, le module de connexion comporte un port d'alimentation électrique, au moins un port d'entrée-sortie de données et un port de connexion au modem et permet la transmission du signal uniquement entre son au moins un port d'entrée-sortie de données et le port de 15 connexion au modem, et permet l'alimentation électrique uniquement entre son port d'alimentation et le port de connexion au modem. Selon une caractéristique préférée, l'émulateur comporte en outre au moins un module d'atténuation interposé entre la sortie du second port 20 d'entrée-sortie de l'au moins un module de couplage directionnel et une entrée de l'un des ports d'entrée-sortie du module de filtrage numérique. Le module d'atténuation permet de réduire la plage de tension des signaux d'entrée pour l'adapter à la plage de tension acceptée par le module de filtrage numérique. 25 L'émulateur selon l'invention est utilisé pour connecter au moins deux modems en vue de tester au moins l'un des modems. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférés décrits en référence aux figures dans lesquelles : 30 - la figure 1 représente un émulateur numérique de canal selon la technique antérieure, - la figure 2 représente un mode de réalisation de l'émulateur numérique de canal selon l'invention, - la figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'émulateur numérique de canal selon l'invention. Selon un mode de réalisation de l'invention représenté en référence à la figure 2, un émulateur numérique de canal selon l'invention comporte un module 1 de filtrage, ou traitement numérique de l'information. La fonction de ce module est de simuler un canal de transmission en réalisant globalement un filtrage. Le module 1 de traitement numérique comporte N ports d'entrée-sortie. Pour simplifier la représentation, N est égal à 2 à la figure 2. A partir d'une entrée d'un port 10 d'entrée-sortie, le module 1 comporte une première chaîne de traitement. Celle-ci comporte un convertisseur analogique-numérique 11 qui effectue une conversion numérique d'un signal analogique reçu. Le convertisseur analogique-numérique 11 est relié à un circuit de filtrage 12 qui réalise le filtrage proprement dit du signal numérique selon une fonction de filtrage H(f). Le circuit de filtrage 12 est relié à un sommateur 13 qui reçoit également un bruit N(f) depuis un circuit 14, de manière à additionner le signal filtré et un bruit. L'ajout de bruit est optionnel. Le filtrage du signal et l'ajout de bruit optionnel modélise le canal de transmission. La sortie du sommateur 13 est relié à un convertisseur numérique- analogique 15 qui effectue la conversion en analogique du signal traité. Le convertisseur numérique-analogique est relié à la sortie du port d'entrée-sortie 16 du module 1. Le module 1 comporte une seconde chaîne de traitement, identique à la 30 précédente, entre une entrée du port d'entrée-sortie 16 et une sortie du port d'entrée-sortie 10. On comprend qu'il y a ainsi deux chaînes de traitement correspondant aux deux sens de communication existant entre deux modems. La seconde chaîne de traitement comporte des circuits 11' à 15' respectivement analogues aux circuits 11 à 15. Les circuits de filtrage, les sommateurs et les générateurs de bruit peuvent être réalisés au moyen d'un circuit programmable (par exemple un FPGA). Le module de traitement numérique de l'information est typiquement implémenté sur une carte électronique de traitement du signal. L'état de l'art technologique et les contraintes de complexité ne permettent pas nécessairement de réunir toutes les performances souhaitées sur une carte électronique. Par exemple, les convertisseurs analogique-numérique peuvent présenter une plage de tensions limitée pour les signaux analogiques d'entrée (par exemple entre -1 V et +1 V). Si les signaux générés par le modem sous test présentent une plage de tensions supérieure (typiquement entre -5 V et +5V), un module 2 d'atténuation est interposé à l'entrée du convertisseur analogique-numérique. Le rôle du module d'atténuation est de réduire la plage de tension des signaux d'entrée pour l'adapter à la plage de tension acceptée par le convertisseur analogique-numérique. La valeur de l'atténuation adéquate peut être sélectionnée automatiquement par le système. Cette valeur peut également être transmise au module de traitement numérique de l'information, de façon à être intégrée au processus de filtrage. On peut prévoir autant de modules d'atténuation que de convertisseurs analogique-numérique. L'émulateur comporte au moins un module de couplage directionnel 3. Le module de couplage directionnel comporte : - un premier port d'entrée-sortie 31 apte à être connecté à un port 30 d'entrée-sortie d'un modem à tester, - un second port d'entrée-sortie 32 connecté à l'un 10, 16 des ports d'entrée-sortie du module de traitement numérique. La fonction du module de couplage directionnel 3 est d'autoriser une transmission de signal uniquement depuis une entrée de son premier port d'entrée-sortie 31 vers une sortie de son second port d'entrée-sortie 32 et depuis une entrée de son second port d'entrée-sortie 32 vers une sortie de son premier port d'entrée-sortie 31. Le module de couplage directionnel interdit une transmission de données entre l'entrée de son second port d'entrée-sortie et la sortie de ce même second port d'entrée-sortie. Ainsi, on évite une boucle directe entre les deux chaines de filtrage ~o correspondant aux deux sens de communication. Si une telle boucle directe existait, les signaux injectés produiraient une succession d'échos qui perturberaient le bon fonctionnement de l'émulateur. L'émulateur peut comporter un seul module de couplage directionnel 3, 15 ou plusieurs modules de couplage directionnel, par exemple en nombre égal à celui des ports d'entrée-sortie du module de traitement numérique 1. En pratique, le module de couplage directionnel peut être réalisé par un coupleur directionnel analogique. Si un module d'atténuation 2 est utilisé, il est connecté en série entre le 20 module de couplage directionnel 3 et le module de traitement numérique 1. Pour connecter un modem CPL 5, un module de connexion 4 est interposé entre le premier port d'entrée-sortie 31 du module de couplage directionnel 3 et le port d'entré-sortie du modem. 25 Le module de connexion réalise trois fonctions : - alimenter le modem en énergie (par exemple secteur 230 V à 50 Hz), - isoler le signal CPL du réseau électrique, afin d'éviter que les modems communiquent par le réseau d'alimentation au lieu de passer par l'émulateur, - transférer le signal CPL du modem vers l'émulateur et inversement. 30 Le module de connexion 4 est relié à une alimentation électrique 6 au travers d'un circuit de filtrage passe-bas 41, qui garantit une forte isolation en atténuant fortement la bande de fréquences coupée, et être résistant aux fortes puissances du secteur. Un port d'entrée-sortie 42 du module de connexion 4 est destiné à être connecté au modem CPL. A partir de ce port 42, le module de connexion 4 comporte un circuit de filtrage passe haut 43 relié à un circuit de couplage 44 (magnétique ou inductif). En effet, le signal transmis doit être exempt du signal de 50 Hz du secteur, dont la puissance serait destructrice pour le module de traitement numérique. Le mécanisme de couplage permet la transmission du signal sans continuité métallique. Le circuit de couplage 44 est relié à un port d'entré-sortie 45 destiné à être connecté au module de couplage directionnel précédemment décrit. Pour utiliser l'émulateur, on connecte deux modems soit au module de connexion 4 dans le cas d'un modem CPL, soit au module de couplage directionnel 3 pour d'autres types de modems, tels que modem HPNA (d'après l'anglais : Home Phoneline Networking Alliance) fonctionnant sur paire téléphonique, modem MoCA (d'après l'anglais : Multimedia over Coax Alliance) fonctionnant sur câble coaxial, modem DSL fonctionnant sur paire téléphonique. Les deux modems connectés sont de même type ou de types différents. Tous les modules doivent chacun être blindés de façon à empêcher tout rayonnement électromagnétique, et éviter une communication des deux modems par couplage électromagnétique. En particulier, un boîtier blindé peut être utilisé pour isoler le module connexion, le module de couplage directionnel ou les deux. En référence à la figure 3, on représente un deuxième mode de réalisation d'émulateur numérique de canal selon l'invention, auquel on peut connecter trois modems. Cet émulateur comporte des modules similaires à ceux précédemment décrits : modules de traitement numérique, de couplage directionnel, d'atténuation et de connexion. Le module de traitement numérique comporte trois ports d'entrées-sortie et six chaînes de filtrages connectées aux trois ports d'entrées-sortie 10, 16 et 17. Chaque chaîne de filtrage est analogue à celle décrite en référence à la figure 2 et comporte un convertisseur analogique-numérique 11, un circuit de filtrage 12, un sommateur 13, un générateur de bruit 14 et un convertisseur numérique-analogique 15. Au moins un module de couplage directionnel 3 est relié à l'un des ports d'entrée-sortie du module de traitement numérique. A la figure 3, trois modules de couplage directionnel sont respectivement reliés aux ports d'entrée-sortie du 10 module de traitement numérique. Un module d'atténuation optionnel 2 peut être interposé entre chaque module de couplage directionnel et une entrée du port d'entrée-sortie du module de traitement. Les modems 5 sont connectables soit directement aux modules de 15 couplage directionnel, soit par l'intermédiaire d'un module de connexion 4 pour le cas d'un modem CPL. Bien entendu, l'homme du métier pourra envisager des variantes sans sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, on peut tester des modems 20 MIMO CPL (Multiple Input, Multiple Output). Un modem MIMO CPL utilise trois fils. Dans ce cas, pour tester deux modems MIMO CPL, le module de traitement numérique de l'information est inchangé, mais il comporte jusqu'à 6 ports d'entrée-sortie. 25 Au moins un module de couplage directionnel est utilisé comme précédemment décrit. Un module d'atténuation peut être utilisé. Un module de connexion est utilisé et est adapté pour le modem MIMO CPL. II comporte un port d'alimentation, jusqu'à trois ports d'entrée-sortie de données et un port de connexion au modem constitué d'une prise électrique 30 comprenant les connecteurs de phase, neutre et terre. II permet la transmission du signal uniquement entre : un premier port d'entrée-sortie de données et les connecteurs de phase et neutre du port de connexion au modem, un second port d'entrée-sortie de données et les connecteurs de phase et terre du port de connexion au modem, un troisième port d'entrée-sortie de données et les connecteurs de neutre et terre du port de connexion au modem. Le module de connexion permet l'alimentation uniquement entre son port d'alimentation et le port de connexion au modem. L'émulateur selon l'invention permet non seulement de simuler un canal de transmission d'un signal utile, mais aussi un canal de transmission des perturbations. Par exemple, un émulateur à 4 ports d'entrée-sortie comporte 2 ports CPL et 2 ports HPNA. Le module de traitement numérique peut non seulement simuler les canaux CPL vers CPL et HPNA vers HPNA, mais aussi les différents canaux CPL vers HPNA figurant le couplage entre lignes électrique et téléphonique, pour étudier la transmission des perturbations.20 REVENDICATIONS1. Emulateur de canal de transmission comportant un module de filtrage numérique comportant au moins deux ports d'entrée/sortie caractérisé en ce qu'il comporte au moins un module de couplage -directionnel cempertant: - un premier port d'entrée-sortie apte à être connecté à un port 10 d'entrée-sortie d'un modem, - un second port d'entrée-sortie connecté à l'un des ports d'entrée-sortie du module de filtrage numérique, et caractérisé en ce que l'au moins un module de couplage directionnel autorise une transmission de signal uniquement depuis une entrée de son 15 premier port d'entrée-sortie vers une sortie de son second port d'entrée-sortie et depuis une entrée de son second port d'entrée-sortie vers une sortie de son premier port d'entrée-sortie. 2. Emulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte 20 en outre au moins un module de connexion apte à être interposé entre le premier port d'entrée-sortie de l'au moins un module de couplage et le port d'entrée-sortie d'un modem. 3. Emulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le module 25 de connexion comporte un port d'alimentation, au moins un port d'entrée-sortie de données et un port de connexion au modem et en ce qu'il permet la transmission du signal uniquement entre l'au moins un port d'entrée-sortie de données et le port de connexion au modem, et qu'il permet l'alimentation uniquement entre son port d'alimentation et le port de connexion au modem. 30 4. Emulateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un module d'atténuation interposé entre la sortiedu second port d'entrée-sortie de l'au moins un module de couplage directionnel et une entrée de l'un des ports d'entrée-sortie du module de filtrage numérique. 5. Utilisation de l'émulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, pour connecter au moins deux modems en vue de tester au moins l'un des modems. 15