CONCEPTION D’UN RESEAU PUBLIC DE COMMUNICATION PAR COURANT PORTEUR EN LIGNE :

(1)

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤

UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤

Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi

¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤

Département de Génie Informatique et

Télécommunications ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤

Option : Réseaux et Télécommunications

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION

POUR L’OBTENTION DU

DIPLOME D’INGENIEUR DE CONCEPTION

INTITULE DU THEME:

Réalisé et soutenu par:

KODJIA William

Soutenu publiquement le 22 Janvier 2015 devant le jury composé de :

Président : Dr François-Xavier FIFATIN, Enseignant à l’EPAC Membres : Dr Léopold DJOGBE, Enseignant à l’EPAC

Dr Tahïrou DJARA , Enseignant à l’EPAC

Ir Basile DEGBO, Enseignant à l’EPAC, Maître de Mémoire.

Année Académique : 2013-2014 7

^ème

Promotion

CONCEPTION D’UN RESEAU PUBLIC DE COMMUNICATION PAR COURANT PORTEUR EN

LIGNE : CAS DU CAMPUS UNIVERSITAIRE

D’ABOMEY-CALAVI

(2)

SOMMAIRE

Dédicaces iii

Remerciements iv

Liste des sigles et acronymes v

Liste des figures vii

Liste des tableaux ix

Résumé x

Abstract x

Introduction générale 1

I Revue Bibliographique 4

1 Distribution de l’énergie électrique 5

2 Généralités sur le CPL 14

3 Perturbations électromagnétiques et techniques de transmission 25

II Approche méthodologique - Résultats et discussion 61

4 Conception d’un cadre de transmission par CPL 62

i

(3)

Conclusion générale et perspectives 82

Bibliographie 82

Annexes 89

Sommary 104

Table des matières 115

(4)

Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC

Dédicaces

A Toi Seigneur, Règne, Puissance et Gloire à jamais.

A mes parents Dominique KODJIA et Pétronie ALOGNON.

Et à tous ceux qui me sont chers.

William KODJIA

Réalisé par william KODJIA iii

(5)

Remerciements

Nos reconnaissances vont à l’endroit de l’Éternel pour sa Grâce et son Amour infini.

Nous remercions également tous ceux qui de près ou de loin ont contribué à la concrétisation de ce travail ; en particulier :

? Le Pr. Félicien AVLESSI, Directeur de l’EPAC ;

? Le Pr. Clément BONOU, Directeur Adjoint de l’EPAC ;

? Le Pr. Marc Kokou ASSOGBA, Chef du Département de Génie Informatique et Télécommunications ;

? Ing. DEGBO Basile, maître de ce mémoire, enseignant à l’EPAC pour tous les efforts fournis pour l’amélioration de la qualité de notre formation et pour avoir accepté de suivre ce travail ;

? M. Guy DHOSSOUAGBOTY, Chef Service Approvisionnement de l’EPAC pour sa relecture et ses précieux conseils ;

? Tous les enseignants des Départements de Génie Informatique et Télécommu- nications et de Génie Électrique pour les efforts fournis pour l’amélioration de la qualité de notre formation ;

? M. Victor OYETOLA, Chef Service de la Promotion des Technologies de l’Infor- mation et de la Communication de l’UAC ;

? M^me Éléonore GBEWEZOUN QUENUM, Chef du Service Ressource Humaine de l’UAC ;

? A toute ma famille KODJIA, en particulier Joël pour le document CPL pourvu ;

? Le CERADEI-GIT (Cercle d’Échanges, de Réflexion et d’Action Des Élèves Ingénieurs en GIT) pour les efforts consentis dans le cadre de l’amélioration des conditions d’études.

Une fois de plus, que tous ceux-ci et tous ceux qui n’ont pas été cités ici trouvent le témoignage de notre profonde sympathie et de notre profonde gratitude.

(6)

Liste des sigles et acronymes

AOP : Amplificateur Opérationnel ARQ : Automatic Repetition Request

B : Bande passante

BT : Basse Tension (U_{ef f} < 1 kV) BTA : Basse Tension catégorie A BTB : Basse Tension catégorie B

CEB : Communauté Électrique du Bénin

CSMA/CD : Carrier Sens Multiple Access/Collision Detection CSMA/CA : Carrier Sens Multiple Access/Collision Avoidance CPL : Courant Porteur en Ligne

D : Débit binaire

DoS : Denied of Service EDF : Électricité De France

ERDF : Électricité Réseau Distribution de France

f : Fréquence

FFT : Fast Fourier Transform

HTA : Haute Tension catégorie A (encore appelée MT) HTB : Haute Tension catégorie B

HT : Haute Tension (50 kV <Uef f < 100 kV) IFFT : Inverse Fast Fourier Transfom

INP : Institut Polytechnique LS : Liaison Spécialisée MAC : Medium Access Contrôle

MT : Moyenne Tension (1 kV <U_{ef f} < 50 kV)

MT/BT : Transformation de la moyenne en basse tension OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplex

PLC : Power Line Communication PLT : Power Line Télécommunication

Réalisé par william KODJIA v

(7)

PMA : Pays Moins Avancés

PPC : Power Plus Communication R : Rapidité de modulation RSB : Rapport Signal sur Bruit.

SBEE : Société Béninoise d’Électricité et d’Eau T_B : Durée pour transmettre un bit

T_S : Durée pour transmettre un symbole (n bits) TI : Technique d’Ingénieur

THT : Très Haute Tension, (U_{ef f} > 100 kV )

THT/HT : Transformation très haute tension en haute tension UAC : Université d’Abomey-Calavi

U_{ef f} : Tension efficace U_n : Tension nominale

(8)

Table des figures

1.2.1Organisation des différents réseaux électriques [6] . . . 7

1.4.1Réseau électrique en simple dérivation [9] . . . 10

1.4.2Réseau électrique en boucle [9] . . . 11

1.4.3Réseau électrique en boucle [9] . . . 12

2.2.1Principe de fonctionnement du CPL [29] . . . 19

2.3.1Les bandes de fréquences CPL . . . 20

2.4.1Réseau CPL indoor [34] . . . 21

2.4.2Réseau CPL outdoor [37] . . . 22

3.1.1Bruit en un point du réseau . . . 28

3.1.2Bruit généré par une imprimante Canon F151300 . . . 29

3.1.3Bruit généré par une lampe fluorescente . . . 29

3.1.4Exemples de bruit apériodique . . . 30

3.1.5Densité spectrale du bruit impulsif apériodique isolé . . . 31

3.1.6Forme typique d’une impulsion rafale [41] . . . 32

3.1.7Schématisation du circuit émetteur-récepteur . . . 33

3.1.8Les pertes de couplage en fonction de Z_out . . . 34

3.2.1Principe de réalisation d’une modulation . . . 36

3.2.2Modulations d’amplitude, de fréquence et de phase [44, 45] . . . 37

3.2.3Principe de la modulation d’amplitude . . . 38

3.2.4Principe de la modulation de fréquence . . . 38

3.2.5Principe de la modulation de phase . . . 39

3.2.6Diagramme de constellation des états en BPSK [46] . . . 40 vii

(9)

3.2.7Diagramme de constellation des états en QPSK [46] . . . 41

3.2.8Exemple de codage à base de la modulation QAM . . . 41

3.2.9Exemple de constellation QAM8 (3 bits par symbole) . . . 42

3.3.1Principe d’étalement de spectre [46] . . . 44

3.3.2Description de la technique d’étalement de spectre [46] . . . 44

3.3.3Constellation d’une modulation parallèle QPSK [47] . . . 45

3.3.4Exemple de transmission de trois symboles OFDM [47] . . . 47

3.3.5Spectre d’un signal OFDM [47] . . . 47

3.3.6Principe d’une chaîne de transmission OFDM [47] . . . 48

3.4.1Les différents types de multiplexages [47] . . . 52

3.7.1Chiffrement AES [48] . . . 58

3.7.2Déchiffrement AES [48] . . . 59

3.7.3Chiffrement_NEK [48] . . . 60

4.3.1Synoptique de la chaîne de communication . . . 65

4.6.1Conception interne du modem CPL . . . 73

4.6.2Légende commune des architectures internes . . . 74

4.6.3Architecture matérielle interne du modem CPL . . . 75

4.6.4Conception du circuit de modèle de Modem CPL . . . 76

4.6.5Architecture proposée pour le réseau CPL de l’UAC . . . 79

4.7.1Réseau électrique MT de l’UAC . . . 89

4.7.2Spectrum of an OFDM signal . . . 107

4.7.3Designing the circuit of a PLC modem . . . 108

4.7.4Proposed for the PLC network architecture UAC . . . 110

(10)

Liste des tableaux

1.1 Niveaux de tension électriques normalisés [3] . . . 6

1.2 Caractéristiques générales de l’électricité [7] . . . 9

3.1 Atténuation des principaux équipements électriques . . . 35

3.2 Table des états de phase en BPSK [46] . . . 39

3.3 Table des états de phase en QPSK [46] . . . 40

3.4 Exemple de table de correspondance QAM . . . 42

4.1 Paramètres de la chaîne de communication . . . 68

4.2 Paramètres identiques pour chaque cas de simulation . . . 71

4.3 Paramètres identiques pour les simulations . . . 71

4.4 Caractéristiques des composants du circuit conçu . . . 77

4.5 Voltage levels [3, 4, 5] . . . 104

4.6 General characteristics of electricity [5, 1] . . . 105

ix

(11)

Résumé

Le présent projet vise à déployer pour le campus de l’UAC un réseau de communication téléphonique en utilisant la technologie du Courant Porteur en Ligne. Ce faisant, on pourra non seulement optimiser l’usage des câbles électriques afin qu’ils assurent le transport des données numériques, mais aussi avoir une complémentarité du réseau de communication existant. Après mise en évidence de l’efficacité de la modulation multiporteuses, nous avons retenu la modulation multiporteuse OFDM comme étant la technique de transmission appropriée et le CDMA-CA comme la méthode d’accès au canal CPL. La technique de multiplexage est FDMA et le mode réseau est centralisé.

Mots clés : Déploiement, Réseau CPL, mode centralisé.

Abstract

This project aims to deploy to the campus of the UAC a telephone communication network using technology Powerline. Doing so will not only optimize the use of electric cables so that they provide transportation for numeric data, but also have a comple- mentarity of the existing communication network. After highlighting the effectiveness of the multicarrier modulation in Chapters 3 and 4, we selected the OFDM multicarrier modulation technique as the appropriate transmission and CDMA-CA as the access method CPL channel. The multiplexing technique is FDMA and network mode is centralized.

Keywords : Deployment, Network CPL, centralized mode.

(12)

Introduction Générale

La nécessité de communication a conduit les Hommes à mettre au point des techniques permettant la transmission d’information ; des supports dédiés à ces échanges d’information ont été mis en place (lignes téléphoniques, réseaux informatiques, liaisons radios...) pour le transfert des données.

Malgré la forte croissance des flux de données et des flux multimédias observée ces dernières années, la téléphonie constitue pour les entreprises un des moyens importants de communication, aussi bien en interne qu’en externe [1, 2].

Le but de ce mémoire est d’étudier et proposer une architecture pour le déploiement du réseau de transmission de la voix ayant pour support le câble électrique. Cette technologie appelée Courant Porteur en Ligne, apparue dans les années 1980, était utilisée pour piloter à distance des appareils électriques, assurer la maintenance des installations, gérer les éclairages publics, la domotique etc. Un tel réseau serait d’une importance capitale pour la cité universitaire.

Dans une première partie, nous rappelons l’état de l’art en la matière puis nous présentons le CPL comme une ligne de transmission et par la suite nous analysons les résultats de l’application de cette technologie au campus universitaire de calavi.

Réalisé par william KODJIA 1

(13)

Contexte et Problématique

Le moyen de téléphonie conventionnel n’est plus fonctionnels. Les réseaux GSM peuvent ne pas fonctionner correctement pendant un appel, surtout en cas d’appel urgent pour signaler un accident ou incendie. On remarque aussi que l’UAC, grand centre d’études et de recherches, ne dispose pas d’un système de téléphonie intégré pour tout le campus.

En effet, les quelques systèmes de communication internes ne fonctionnent plus correctement à cause de la défaillance des autocommutateurs. Le coût des communications à base des lignes téléphoniques de Bénin Télécoms SA est élevé, les actes de vandalisme sur les câbles téléphoniques ont conduit quelques usagers à se tour- ner vers le service offert par les opérateurs de téléphonie cellulaire (opérateurs GSM) ; toutefois, ce service se révèle assez coûteux.

Pour résoudre ce problème de communication, il serait donc utile de doter l’univer- sité d’un système de communication efficace et moins coûteux en terme de mise en œuvre afin de permettre aux personnels de communiquer librement et aisément. Nous proposons d’utiliser la disponibilité du réseau électrique pour téléphoner gratuitement au sein de l’UAC.

(14)

Objectifs

Le principal but de cette étude est de proposer l’architecture de déploiement d’un système de communication téléphonique pour le campus universitaire d’Abomey-Calavi.

De façon spécifique, les objectifs sont les suivants :

? Étudier la faisabilité et la mise en place du réseau CPL à l’UAC ;

? Étudier des facteurs agissant sur ce réseau CPL ;

? Proposer le circuit d’un nouveau modèle de modem CPL, adapté aux conditions électriques disponibles afin d’éliminer les harmoniques du canal CPL ;

? Proposer l’architecture pour le déploiement du réseau téléphonique basé sur le CPL outdoor pour l’UAC ;

(15)

Revue Bibliographique

(16)

Chapitre 1

Distribution de l’énergie électrique

Introduction

L’énergie électrique est acheminée depuis les centrales de production jusqu’aux lieux de consommation par l’intermédiaire d’un réseau de lignes électriques aériennes ou souterraines [3]. L’un des rôles de ce réseau électrique est la transformation du niveau de tension, puisqu’il doit permettre de livrer aux utilisateurs une énergie de consommation adaptée à leurs besoins. Ce chapitre présente un aperçu général de la distribution électrique.

1.1 Classification des niveaux de tensions

Les réseaux électriques sont décomposés en différentes catégories selon leur niveau de tension. En courant alternatif, les domaines de ces niveaux de tension sont :

Cette classification des réseaux électriques en niveaux de tension permet de sépa- rer les rôles de chacun des acteurs des réseaux électriques en terme de responsabilité sur ceux-ci.

L’ancienne appellation est régie par la norme NF C 18-510, qui fait référence en France en matière de sécurité [4]. L’appellation actuelle normalisée est définie par la

5

(17)

T^ABLE 1.1 – Niveaux de tension électriques normalisés [3]

Appellation actuelle Ancienne appellation

Plage de tension (toujours d’usage)

HTB Très Haute Tension (THT) Un≥100 kV Haute Tension (HT) 50 kV≤Un< 100 kV HTA Moyenne Tension (MT) 1 kV≤Un< 50 kV

BTB BT 500 V≤Un< 1000 V

BTA 50 V < Un< 500 V

publication UTE C 18-510 approuvée par arrêté conjoint du Ministère du Travail et du Ministère de l’Industrie en date du 17 janvier 1989 paru au Journal officiel de la République française en matière de la sécurité des personnes [5].

Au Bénin, aucune norme relative aux domaines de tension n’a été signée par arrêté ministériel. La Communauté Electrique du Bénin (CEB) fournit en THT à la SBEE une tension de 161 000 V en alternatif.

1.2 Organisation physique générale des réseaux électriques

Du point de vue physique, le réseau électrique est découpé en différents niveaux de tension : le réseau de transport et de répartition, et les réseaux de distribution. Ce sont ces derniers qui alimentent la plupart des consommateurs. La figure 1.2.1 illustre l’organisation physique générale des réseaux électriques.

(18)

FIGURE1.2.1 – Organisation des différents réseaux électriques [6]

1.2.1 Les réseaux de transport

Les réseaux de transport sont constitués de lignes THT et assurent le transport de l’énergie électrique sur de très grandes distances et à l’international. Ces lignes

(19)

THT sont composées des conducteurs électriques en alliage d’aluminium pour un gain de poids (moins de poids entraîne moins de pylônes et donc réduction du coût de construction du réseau). Ces conducteurs ont une résistivité de 3,6 10^-8 Ω.m 20°C, d’après BELTZER B [6]. Comme tous les conducteurs traversés par un courant, les lignes s’échauffent, une partie de l’énergie transportée est transformée en chaleur par effet Joule et donc perdue. Afin de minimiser ces pertes d’énergie, il est nécessaire de diminuer l’intensité du courant, et donc d’augmenter la tension aux bornes de la ligne pour maintenir la même puissance de transmission. L’autre avantage de l’élévation de la tension est que dans les zones urbaines à densité de charge élevée, les distances de desserte sont faibles, mais les puissances à desservir sont importantes.

Les réseaux de transport sont reliés à des transformateurs abaisseurs THT/HT. Ces derniers assurent le passage du réseau de transport au réseau de répartition.

1.2.2 Les réseaux de répartition

Les réseaux de répartition sont encore appelés centres de dispatching. C’est là que des opérateurs spécialisés surveillent et pilotent à distance le réseau électrique 24 heures sur 24. Leur rôle est non seulement d’effectuer des contrôles de la tension et de la fréquence pour le réseau de transport, mais aussi d’ajuster la production à la consommation. Ces réseaux assurent le transport de l’énergie électrique à longue distance et desservent les industries très lourdes en matière de consommation d’énergie électrique.

Les réseaux de répartition sont reliés à des transformateurs abaisseurs HT/MT qui assurent le passage du réseau de répartition au réseau de distribution.

1.2.3 Les réseaux de distribution

Les réseaux de distribution exploitent le domaine des tensions inférieures à 50 kV, soit la plage de tension de la MT et de la BT. Ces réseaux assurent la distribution de l’énergie électrique en local. Ils desservent la majorité des consommateurs (PME,

(20)

maisons, structures publique), à l’exception de quelques clients industriels directement alimentés en HT.

Connaissant le transport, la répartition et la distribution de l’énergie électrique, quels sont les paramètres qui caractérisent cette énergie électrique ?

1.3 Caractéristiques techniques générales

L’objectif des réseaux de distribution est de fournir de l’énergie électrique aux clients raccordés en MT ou en BT. La qualité de l’énergie délivrée doit être conforme à des caractéristiques définies par la norme EN 50610 (NF C02-160) de mai 2000 [7], résu- mées dans le tableau 1.2.

TABLE 1.2 – Caractéristiques générales de l’électricité [7]

Grandeurs Valeurs admises

Fréquences et variations

BT : 50 Hz ± 1 % , pendant 95 % du temps mesuré sur une semaine

MT : 50 Hz ± 2 % – 4%, pendant 100 % du temps mesuré sur une semaine Tensions et variations 220 V ± 10 %, pendant 95 % du temps

mesuré sur une semaine Coupures très brèves durée < 1 seconde

Coupures brèves 1 seconde < durée < 3 minutes Coupures longues durée > 3 minutes

Surtension transitoire 6 kV mais valeurs supérieures possibles Déséquilibre de tension 2 % max. pendant 95 % du temps par semaine

Tensions harmoniques aux global de distorsion inférieur à 8 % de la Un

L’énergie électrique doit parvenir chez les différents clients en respectant la continuité de service. Pour cela, différentes structures de réseau existent.

(21)

1.4 Structures des réseaux de distribution.

Selon BINGHAM J.A.C [8], on distingue trois catégories de structure à savoir :

? la structure simple dérivation,

? la structure double dérivation,

? la structure en boucle.

1.4.1 La structure simple dérivation

Ce réseau est encore appelé réseau en antenne.

1.4.1.1 Principe

Dans ce type de réseau, tous les postes de distribution sont reliés à la même ligne d’alimentation. La figure 1.4.1 illustre le réseau électrique en simple dérivation.

F^IGURE1.4.1 – Réseau électrique en simple dérivation [9]

1.4.1.2 Utilisation

Cette structure est utilisée par la SBEE pour l’alimentation des usagers en milieu rural par les lignes aériennes.

(22)

Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC Avantage : simple à mettre en place et économique.

Inconvénient : lorsqu’un défaut apparaît sur la ligne, les postes de distribution placés en aval ne sont plus alimentés.

1.4.2 La structure double dérivation

1.4.2.1 Principe

Dans ce type de réseau, les postes de distribution sont reliés à deux lignes d’alimentation (mais alimentés par une seule). Lorsqu’un défaut apparaît sur une ligne, les postes de distribution placés en aval du défaut sont alimentés manuellement ou automatiquement par la seconde ligne. La figure 1.4.2 illustre le réseau électrique en double dérivation.

FIGURE 1.4.2 – Réseau électrique en boucle [9]

Cette structure est utilisée par la SBEE pour alimenter les zones industrielles où la densité de charge est élevée.

Avantage : bonne continuité de service.

Inconvénient : plus cher qu’en réseau simple dérivation.

(23)

1.4.3 La structure en boucle

Ce réseau est aussi appelé réseau en coupure d’artère.

1.4.3.1 Principe

Dans ce type de réseau, les postes de distribution sont alimentés en dérivation sur une boucle qui passe par chacun d’entre eux. En fonctionnement normal, la boucle doit être ouvert en un point (ouverture d’un des interrupteurs-sectionneurs placés en série sur la boucle).

Lorsqu’un défaut apparaît sur la ligne, le poste concerné est isolé par l’ouverture des deux interrupteurs-sectionneurs placés en amont et en aval du défaut. Les postes non alimentés suite au défaut peuvent l’être à nouveau par l’autre côté de la boucle.

La figure 1.4.3 illustre le réseau électrique en boucle.

FIGURE 1.4.3 – Réseau électrique en boucle [9]

Cette structure est utilisée par la SBEE pour alimenter les milieux urbains. Cette structure est utilisée pour une partie du réseau MT de l’UAC. Elle a servi de base pour le déploiement du réseau téléphonique par CPL de l’UAC.

Avantage : bonne continuité de service.

Inconvénient : plus cher qu’en réseau simple dérivation.

(24)

Conclusion

L’énergie électrique est produite par les centrales électriques puis transportée par un réseau électrique THT. Après une transformation de niveau de tension THT/HT, cette énergie est distribuée à des abonnés particuliers. Elle subit enfin une autre transformation de niveau de tension MT/BT afin d’être distribuée à la majorité des consommateurs de l’énergie électrique.

(25)

Généralités sur le CPL

Introduction

Depuis l’apparition des réseaux locaux, les technologies Ethernet et Wi-Fi dominent indéniablement le marché des réseaux locaux. Dans certaines situations, les réseaux sans fil Wi-Fi deviennent inefficaces. La mise en place de câblages classiques repré- sente un investissement trop lourd et parfois encombrant, les murs sont en béton, et les ondes du Wi-Fi passent mal à travers des murs épais ou du métal. La transmission des données devient parfois pénible. Face à cette situation, une solution s’est offerte : la possibilité de transmettre les données informatiques par les mêmes câbles que ceux du courant électrique, d’où le Courant Porteur en Ligne (CPL). Il est question dans ce chapitre, de présenter l’évolution de la transmission par courant porteur en ligne.

(26)

2.1 Présentation de la technologie du CPL

L’expression « courants porteurs en ligne », communément abrégée CPL, est apparue à la fin de la seconde guerre mondiale, en 1945. À l’époque, beaucoup de lignes téléphoniques et électriques étaient détruites, mais il restait davantage de lignes élec- triques d’infrastructure que de lignes téléphoniques [10,11]. Pour des besoins de communication, des systèmes ont été conçus afin de transmettre des données sur les câbles basse tension ou moyenne tension, en s’inspirant de la télégestion des éclai- rage publique déjà effectuées sur les lignes électriques.

Le CPL ou encore PLC est une technologie qui utilise les réseaux électriques exis- tants d’un bâtiment pour transporter les données sans câblage spécifique supplémen- taire [12]. La technique des courants porteurs en ligne consiste à coupler les signaux basse fréquence (courant alternatif) aux signaux haute fréquence (signal CPL) sur les- quelles transitent les données numériques. Ce couplage spectral ne perturbe pas le fonctionnement des équipements électriques [12].

La transmission de l’information peut être à bas ou à haut débit. Cette transmission se fait à base d’une modulation spécifique qu’on présentera dans la suite de ce mémoire.

Le CPL offre aux utilisateurs beaucoup de services à savoir : les appels, les services multimédias, l’accès internet, etc.

Selon la littérature [13,14] les courants porteurs en ligne se retrouvent sous plusieurs mot-clés à savoir :

? CPL (Courant Porteur en Ligne)

? PLC (Power Line Communication)

? PLT (Power Line Telecommunication)

? PPC (Power Plus Communication)

(27)

2.1.1 Les systèmes CPL d’aujourd’hui

Les compteurs électriques constituent des barrières à la propagation du signal CPL [15,16]. Ainsi le marché du CPL se partage en deux segments. Le premier segment est celui en aval du compteur électrique (indoor), c’est-à-dire à l’intérieur des bâtiments.

Le second segment est celui en amont du compteur électrique (outdoor), c’est-à-dire à l’extérieur des bâtiments vers les transformateurs [16].

Le CPL outdoor constitue le cadre de la présente étude et intervient ici comme alternative à la mise en place d’un réseau pour faire communiquer au moins deux compteurs reliés par le même transformateur MT/BT.

En dehors du système CPL à bas débit qui servait à allumer ou éteindre les lampes publiques, les systèmes CPL à haut-débit (indoor ou outdoor) sont des systèmes large bande qui occupent la bande [1.6 - 30] MHz pour lesquels aucune norme spécifique n’est en vigueur [17,18,19]. L’évolution des secteurs indoor et outdoor du système CPL à haut-débit se présente deux à savoir : le marché outdoor et le marché indoor.

2.1.1.1 Le marché outdoor

Dans le cas du CPL outdoor, les déploiements en sont encore au stade de l’expérimentation [19]. Les freins au développement de ce système ne sont pas seulement d’ordre technique (l’absence de standard par exemple), ils sont aussi d’ordre juridique (absence de réglementation juridique). En effet, l’activité du transport de don- nées relève des télécommunications et nécessite une licence d’opérateur de réseaux télécoms [20]. C’est-à-dire qu’il faut des lois juridiques autorisant les sociétés d’élec- tricité d’être en même temps des opérateurs de télécommunications : raison pour la- quelle l’outdoor n’existe que du point de vue expérimental.

2.1.1.2 Le marché indoor

Le secteur des CPL haut-débit indoor est en plein essor dans les pays avancés [20]. La principale application de ce secteur du CPL est la réalisation des réseaux

(28)

domestiques à haut débit sur lesquels peuvent transiter des informations multimédia (images, vidéos, sons).

Qu’il s’agisse des CPL indoor ou outdoor, les réseaux visés, «gourmands» en débit, nécessitent l’utilisation d’une ressource spectrale conséquente. Les techniques mises en œuvre pour occuper toute la bande disponible sont : les techniques à étalement de spectre et les techniques multiporteuses qui seront présentées dans la suite de ce mémoire. L’étalement de spectre a été utilisé dans les premiers systèmes CPL.

En 1999, le projet français RNRT DOLIE (réseau domotique sur ligne d’énergie) s’est intéressé à l’étude et la validation des techniques d’étalement de spectre dans le cadre de communications CPL indoor [21]. Il y a aussi en 2001 le projet américain OPERA (Open PLC Research Alliance) qui vise à développer une norme d’accès CPL de nouvelle génération pour accélérer l’adoption de l’accès CPL large bande écono- mique et très performant.

Par ailleurs, certains industriels, tels que l’israélien ITRAN et Oxance, commercialisent encore des puces exploitant l’étalement de spectre et offrant des débits de 2,4 Mbit/s à 10 Mbit/s [21].

Aujourd’hui, les industriels de fabrication des équipements CPL se concentrent sur les techniques de modulations multiporteuses, et en particulier l’OFDM [22].

Les systèmes commercialisés en indoor depuis le début des années 2000 ré- pondent aux standards proposés au sein du consortium HomePlug. Selon DIXON R.C [23], nous pouvons citer à titre illustratif les industriels : Oxance, Zeus Power- line, Corinex, Olitec, Packard Bell, qui commercialisent leurs modems indoor sous le label HomePlug. Deux standards sont finalisés et spécifient les couches physiques et les couches de contrôle d’accès (MAC | Medium Access Control) : le HomePlug 1.0 à 14 Mbit/s (qui utilise les techniques d’étalement de spectre) et le HomePlug AV à 200 Mbit/s (qui utilise les techniques multiporteuses OFDM) [23].

L’OFDM est employée une technique de transmission, la différence entre les deux standards est essentiellement au niveau du nombre de sous-porteuses utilisées [24].

Le standard HomePlug 1.0 prévoit en effet l’utilisation de 128 sous-porteuses,

(29)

modulées en MDP2 ou MDP4 différentielle, alors que le HomePlug AV comporte 1536 sous-porteuses, chacune pouvant transmettre jusqu’à 10 bits dans le cas d’une modulation QAM [24]. Celle-ci sera présentée dans la suite de ce mémoire.

Le partage des données informatiques est géré par le biais d’une version modifiée du protocole CSMA-CA (carrier sense multiple access - collision avoidance) et qui sera aussi présentée dans la suite de ce mémoire.

Enfin, rajoutons que la correction des erreurs est réalisée grâce aux techniques de codage de canal, combinées à de l’entrelacement et à des systèmes de répétition automatique de séquences (ARQ | Automatic Repetition Request) [25,26].

Parallèlement au développement des standards HomePlug, certains industriels expérimentent leur propre technologie. C’est ainsi que l’espagnol DS2 commercialise des puces à 200 Mbit/s permettant de faire passer la vidéo, voire la TVHD (TéléVi- sion Haute Définition). Tous ces systèmes sont basés sur la technique de modulation OFDM mais les spécifications précises sont la plupart du temps tenues secrètes.

2.2 Principes de fonctionnement du CPL

Le principe de fonctionnement du CPL consiste à superposer au signal électrique de 50 Hz (Basse Fréquence) un signal à Haute Fréquence (1,6 à 30 MHz) et de faible énergie (< 0,5 V). Sur cette bande spectrale, chaque type d’équipement utilise une fréquence différente afin de cohabiter sans s’interférer.

Le signal CPL contient les informations sous forme analogique. Il se propage sur l’installation électrique et peut être reçu et décodé à distance par un modem spécifique (récepteur CPL). Ainsi, le signal CPL est reçu par tout récepteur CPL qui se trouve sur le même réseau électrique. Un coupleur intégré en entrée des récepteurs CPL élimine les composantes basses fréquences avant le traitement du signal CPL [27,28].

La figure 2.2.1 aide à visualiser la superposition des signaux :

(30)

F^IGURE 2.2.1 – Principe de fonctionnement du CPL [29]

Un modem CPL branché sur une prise électrique reçoit et décode les informations. Il doit, pour recevoir et envoyer l’information, transformer un flux de bits en signal analogique. Cette transformation inclut des fonctions d’ajout de la redondance (pour éliminer les problèmes de bruits et des fortes atténuations) et de reconstitution du flux de bits original (en cas de perte ou d’erreur quelconque) [29]. Ensuite, l’information peut être envoyée sur le périphérique désiré (combiné téléphonique, ordinateur, imprimante, etc.).

Pour atteindre de hauts débits, la technologie utilise plusieurs fréquences porteuses simultanément, comme détaillé au chapitre 3. Certains constructeurs de modem CPL utilisent un très grand nombre de fréquences porteuses à faible débit et qui, une fois accumulées, permet d’atteindre un débit total beaucoup plus élevé (plusieurs dizaines de Mbit/s) d’après GOUYET J-N [30].

2.3 Les Bandes de fréquence

Le signal CPL étant un signal modulé en amplitude, fréquence ou phase autour d’une fréquence porteuse F, il est nécessaire de mettre en place des règles d’utilisation de chaque bande de fréquences par le biais d’organismes de régulation nationaux ou internationaux. C’est pour cela que GOUYET et KALINOWSKI [31,32] confirme que deux bandes de fréquences sont allouées aux technologies CPL :

? 3 à 148 kHz pour les CPL dits bas débit ;

? 1,6 à 30 MHz pour les CPL dits haut débit.

La figure 2.3.1 illustre la place des fréquences CPL relativement à d’autres technologies réseau.

(31)

F^IGURE 2.3.1 – Les bandes de fréquences utilisées par les réseaux CPL [31,32]

Pour le haut débit, la bande de fréquence 1,6 à 20 MHz est alloué aux communications CPL indoor tandis que celle de 21 à 30 MHz est alloué aux communications CPL outdoor.

2.4 Architectures des Courants Porteurs en Ligne

Le CPL fonctionne sur les moyennes et basses tensions qui servent respectivement aux boucles locales et aux réseaux domestiques [33,34]. Ces réseaux domestiques représentent l’architecture des CPL en Indoor et les boucles locales représentent l’architecture des CPL en Outdoor. Ces deux architectures des CPL sont présentées ci- dessous.

2.4.1 Le CPL en Indoor

Lorsqu’on parle d’Indoor pour les courants porteurs en ligne, il s’agit d’un réseau local, par exemple à l’intérieur d’une habitation. De façon générale, le terme indoor désigne le réseau CPL derrière un compteur électrique vers ses utilisateurs. La figure 2.4.1 illustre l’architecture du CPL indoor.

(32)

FIGURE2.4.1 – Réseau CPL indoor [34]

On parle de LAN indoor pour ce type de réseau CPL.

Selon HEUZE, HAKIMA [35] il existe quatre grandes catégories de réseau LAN à savoir :

? les réseaux téléphoniques locaux,

? les réseaux câblés,

? le Wi-Fi (la norme 802.11),

? et le CPL indoor.

Pour les trois premières catégories de réseaux (téléphoniques, câblés, sans fils), il existe des protocoles standards de communication pour assurer la transmission de données entre les nœuds du réseaux (ex : TCP, OSPF, . . . ). Par contre, à ce jour, aucune norme ou standard n’est définie pour le transport de données sur un réseau CPL indoor [36]. C’est face à ce manque de standard, que le groupe de fabricant de modems CPL, Homeplug Powerline Alliance s’est retrouvé afin de créer une norme (Homeplug 1.01) pour la transmission de données sur les réseaux CPL indoors.

(33)

La norme Homeplug [36]

La norme Homeplug 1.01 intervient au niveau 1 et 2 du modèle OSI (Physique et Liaison de données), son objectif principal étant d’assurer la transmission de données sur un réseau utilisant les courants porteurs en ligne. Les spécifications Homeplug, pour la couche physique, prennent en compte les données spéciales liées à la transmission par courant porteur. Au niveau de la couche liaison de données, une variante de protocole d’accès à la couche réseau a été retenue : c’est le protocole CSMA/CA (Carrier Sens Multiple Access with Collision Avoidance). C’est un protocole à évitement de collision qui inclut des classes de priorité pour les trames à envoyer.

2.4.2 Le CPL en Outdoor

Lorsqu’on parle de Outdoor pour les courants porteurs en ligne, il s’agit du réseau informatique en amont du compteur électrique vers le transformateur du quartier. On parle de mise en place d’une boucle locale ou dernier kilomètre (last mile). Cette boucle relie les différentes habitations ou lieux où l’on veut mettre en place une solution CPL.

La figure 2.4.2 illustre l’architecture du CPL outdoor.

F^IGURE 2.4.2 – Réseau CPL outdoor [37]

Les liaisons sont au maximum de 800 mètres en Outdoor. C’est-à-dire entre le

(34)

Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC compteur et le transformateur du quartier (boucle locale électrique).

En général les fréquences utilisées vont de 1,6 Mhz à 30 Mhz pour le transport de l’information. Pour éviter des perturbations entre le réseau Outdoor et celui Indoor, les fréquences utilisées peuvent ne pas être les mêmes. Certaines littératures [37,38]

indiquent d’utiliser en Outdoor les bandes de fréquences 1,6 MHz à 10 MHz et en indoor 10 MHz à 30 MHz. En indoor, lorsque l’on voit les spécifications des produits vendus, on s’aperçoit qu’ils utilisent les bandes 4 MHz à 21 MHz.

Au niveau des débits en Outdoor, ils se situent dans la plage de 14 à 224 Mbit/s.

Les débits utiles obtenus varient en fonction d’un nombres importants de critères parmi lesquels on note :

? la distance entre le compteur électrique et le transformateur,

? le nombre d’utilisateurs connectés,

? le nombre de répéteurs installés entre le transformateur et le compteur,

? la charge du circuit électrique (plus il y a de matériels consommant de l’électricité plus le débit diminue),

? la marque de modem CPL utilisée.

2.5 Quelques Avantages et Insuffisance du CPL

2.5.1 Avantages

Il est indéniable que le CPL possède des avantages non négligeables que voici :

? pas de câblage supplémentaire : économie de câblage,

? facilité d’installation : prix réduit du déploiement,

? bonne couverture,

? débits corrects,

? réseau sécurisé dans son concept,

? il n’est pas nécessaire d’installer de pilotes sur un ordinateur avant de l’utilisé, les équipements sont « autonomes »,

? L’utilisation de la nouvelle version de CSMA/CA permettent d’éviter un trop grand

(35)

nombre de collisions.

2.5.2 Insuffisance

? Débit partagé entre les utilisateurs connectés.

? Manque de norme et de réglementation.

Conclusion

Ce chapitre a permis de faire le point des travaux effectués sur les courants porteurs en ligne. Deux architectures réseaux ont été présentées et correspondent à ceux qui utilisent des câbles électriques pour assurer le transport des données numé- riques. Cette technologie permet d’optimiser l’usage des câbles électriques. Pour les utilisateurs, un problème pertinent de cette technologie est le partage du débit binaire.

Cela est dû au fait que tous les utilisateurs sont reliés au même segment électrique.

(36)

Chapitre 3

Perturbations électromagnétiques et techniques de transmission

Introduction

Ce chapitre va traiter l’aspect courants porteurs en considérant le réseau d’alimentation de l’UAC en tant que canal de propagation. Le canal de propagation est le support physique de la transmission par CPL. Celui-ci va être caractérisé, et pré- senté pour connaître et appréhender les phénomènes de propagation propre au canal CPL. La première partie décrit la réponse du canal, et les types de bruits rencontrés sur le câble électrique. La seconde partie s’intéresse aux modulations pouvant être candidates pour la transmission des données sur le câble électrique.

3.1 Perturbations électromagnétiques

Le câble électrique est utilisé par une multitude d’appareils électriques. Ces derniers peuvent générer des perturbations électromagnétiques. Ces perturbations peuvent provenir de l’installation du client mais aussi parfois d’autres installations voisines. Les perturbations se propagent le long du réseau de distribution jusqu’à la prise où sera connecté le modem CPL.

25

(37)

3.1.1 Le câble électrique [39]

Le câble électrique est le support physique ou le canal de transmission pour les communications par CPL. Ce câble électrique n’a pas été conçu pour transporter les signaux HF. Il faut donc prendre en compte les contraintes techniques de ce support pour assurer une bonne transmission de ces signaux HF sans pour autant perturber les fréquences de la bande 1-30 Mhz par rayonnement, ni les appareils électriques en- vironnants. En effet, une variété d’appareils électriques est continuellement connectée et déconnectée du réseau électrique. Ce phénomène fait varier la charge globale du réseau électrique et provoque des tensions qui peuvent perturber la transmission des données.

3.1.2 Réponse du canal

Lors de la propagation du signal CPL à travers le canal de transmission, les signaux émis sont soumis à différents phénomènes qui modifient leur forme, c’est-à-dire leur amplitude et leur phase. Il peut s’agir de phénomènes d’atténuation, de distorsion, du bruits, selon que ces signaux sont susceptibles de connaître avec le support physique.

Notons que le câble électrique introduit des atténuations et déformations du signal CPL. Les causes de ces modifications sont multiples comme par exemple, le couplage entre les différents circuits électriques, les pertes ou le caractère multi-trajets dû au fait que les équipements sont connectés sur le même segment électrique.

3.1.3 Les types de bruits

Outre les distorsions apportées par les réponses des canaux sur la forme des signaux propagés sur les lignes électriques, il faut aussi considérer comme élément perturbateur la part de bruit, pris au sens large du terme, qui vient s’ajouter à l’énergie utile transmise.

(38)

Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC 3.1.3.1 Bruit de fond

Le bruit de fond présent sur les lignes électriques, possède une densité spectrale de puissance relativement basse et décroissant avec la fréquence. C’est-à-dire que lorsque la fréquence augmente, la densité spectrale de bruit diminue. Ce type de bruit provient des transformateurs sources HT/MT.

3.1.3.2 Bruit à bande étroite

Les bruits à bande étroite proviennent du couplage des ondes radios aux câbles électriques. Ce bruit apparaît à différentes fréquences de 25 kHz à 82 kHz avec une moyenne de -75 dBm [40].

On note aussi le bruit stationnaire (bruit de fond + bruit à bande étroite) qui n’a pas beaucoup d’influence sur le signal CPL à transmettre mais il limite la capacité de canal.

3.1.3.3 Bruit impulsif

Parmi l’ensemble des sources de bruits, ce sont les bruits de type impulsif qui gênent le plus la communication sur les lignes électriques. On distingue deux sortes de bruits impulsifs :

? Bruit impulsif périodique:

Dans le but de comprendre l’origine de ce type de bruit, nous avons mesuré dans Matlab/Simulink à l’aide d’un coupleur et d’un oscilloscope la tension différentielle à différents points du réseau électrique.

Nous possédons un oscilloscope TDS5054 qui a une fréquence d’échantillonnage maximale de 500MHz et il est limité à 400 000 points de mesure. Afin d’assurer un compromis entre la fréquence maximale d’analyse et la fenêtre temporelle d’obser- vation du bruit, nous avons choisi une fréquence d’échantillonnage de 100MHz. Ceci nous permet de mesurer le bruit sur une fenêtre maximale de 4ms.

Un autre compromis à assurer est d’avoir à la fois une bonne sensibilité et une tension maximale suffisante. Pour ce faire, nous avons réalisé deux mesures avec

(39)

deux sensibilités différentes (1V/div et 100mV/div).

La figure 3.1.1 présente un exemple d’une tension différentielle mesurée sur un ré- seau électrique. Nous pouvons remarquer que cette tension est formée par des trains d’impulsions qui se répètent toutes les 10ms. Les caractéristiques de ces impulsions dépendent des sources de bruit (des appareils connectés sur le réseau) et de la structure du réseau électrique. On constate que le bruit en un point de réseau est la somme des bruits générés à chaque point de celui-ci.

F^IGURE3.1.1 – Bruit en un point du réseau

Afin de mieux comprendre l’origine et les caractéristiques de ce type de bruit, nous proposons d’analyser les bruits aux bornes des appareils électroniques. Les appareils ont été alimentés à travers un transformateur d’isolement, comme c’est le cas au rec- torat annexe.

Les figures 3.1.2 et 3.1.3 présentent respectivement le bruit généré par une imprimante (de marque Canon F151300) et par une lampe fluorescente classique. A partir de ces figures, nous constatons que le bruit généré par les appareils électroniques a la même forme que le bruit mesuré sur le réseau. Alors le bruit mesuré sur le réseau est la somme de bruit provenant des différents appareils électroniques.

(40)

FIGURE3.1.2 – Bruit généré par une imprimante Canon F151300

FIGURE 3.1.3 – Bruit généré par une lampe fluorescente

Ce type de bruit est divisé en deux catégories à savoir : le bruit périodique synchrone avec le secteur (fréquence de répétition de 50 Hz) et le bruit périodique asynchrone avec le secteur (fréquence de répétition comprise entre 10 à 250 Hz)

? Bruit périodique synchrone

Ce bruit est encore appelé bruit impulsif périodique isolé.

Notons que dans la simulation de ce type de bruit, pour tous les appareils, le train d’impulsions est toujours suivi par une impulsion isolée différente en amplitude des impulsions formant ce train. L’impulsion isolée est périodique de période 10ms.

On constate que son amplitude est supérieure à l’amplitude des impulsions formant le train. Ces appareils commutent un certain nombre de fois chaque cycle de 50 Hz. Cela entraîne, dans le domaine fréquentiel, un bruit en haute harmonique de la fréquence du système électrique (50 Hz).

(41)

Ce bruit provient des ponts de diodes (redresseurs de tension) utilisés dans la majorité des appareils électroniques.

? Bruit impulsif périodique asynchrone

Les impulsions formant le train sont périodiques d’une période variant de quelques microsecondes à quelques dizaines de microsecondes. Elles sont provoquées par la commutation des modes de fonctionnement des appareils. Par contre le train lui même a une période de 10ms.

? Bruit impulsif apériodique

Encore appelé bruit impulsif à impulsion unique, il provient du branchement ou débranchement d’un appareil sur le réseau électrique, de changement de mode de fonctionnement d’un appareil connecté sur le réseau, ou aussi d’une décharge électro- magnétique extérieure, telle qu’un orage se couplant sur le réseau. Cette perturbation sera ensuite conduite vers le modem CPL. La figure 3.1.4 donne des exemples de bruit apériodique.

F^IGURE 3.1.4 – Exemples de bruit apériodique

Ce type de bruit prend la forme d’un train d’impulsions (isolées ou en rafale) qui est caractérisé par une fréquence de répétition aléatoire, une forte DSP et des faibles durées d’impulsion. La durée des impulsions varie aléatoirement de quelques microsecondes à des millisecondes [40].

C’est ce type de bruit qui est observé au niveau de la majorité des prises électriques et des rallonges en raison de leurs conceptions [41]. Etant que ce sont ces derniers

(42)

qui sont susceptibles de supporter les modems CPL, alors ce bruit dès son apparition aura directement d’impact sur le signal CPL.

Le Bruit impulsif apériodique est divisé en deux catégories à savoir le bruit impulsif isolé et le bruit impulsif rafale.

? Bruit impulsif apériodique isolé

Le bruit impulsif apériodique est modélisé dans le domaine temporel par des sinusoïdes amorties. Une impulsion isolée peut être exprimée par l’équation :

B(t) = A.sin(2πf₀t).exp(−^f_k⁰t).

Avec A,τ f₀ respectivement l’amplitude, le facteur d’amortissement et la pseudo- fréquence de l’impulsion. Le facteur d’amortissement est défini par τ = _f^k

0. k étant un entier naturel quelconque non nul (bruit apériodique).

En considérant les valeurs suivantes :f₀ = 10kHz;τ = ¹⁶_f

0 = 1,6ms;A= 20V La figure 3.1.5 représente la DSP du bruit impulsif apériodique isolé.

F^IGURE3.1.5 – Densité spectrale du bruit impulsif apériodique isolé on note un pic autour de0,45Hz avec une DSP de20dB.

Le Bruit impulsif apériodique isolé est caractérisée par les paramètres suivants : l’amplitude A (DSP), la pseudo-fréquencef₀, le facteur d’amortissementτ et la durée de l’impulsion.

(43)

? Bruit impulsif apériodique rafale

Une rafale est une succession d’impulsions élémentaires. Les paramètres des impulsions rafales sont les mêmes que ceux des impulsions isolées. Ce type de bruit est illustré à la figure 3.1.6.

F^IGURE 3.1.6 – Forme typique d’une impulsion rafale [41]

Un autre paramètre de cette catégorie de bruit est le temps d’inter-arrivée. C’est le temps entre la fin d’un bruit impulsif et l’arrivée du suivant.

3.1.4 Atténuation

De même que le signal radio subit une atténuation de sa puissance en fonction de la distance parcourue, le signal électrique perd de sa puissance en fonction de la distance parcourue.

Il est important de prendre en compte cette caractéristique du câble électrique pour implémenter le réseau CPL.

Sur le câble électrique le signal CPL est affaibli par deux types de pertes à savoir : les pertes en ligne et les pertes de couplage.

3.1.4.1 Les pertes en ligne

Ces pertes représentent d’une part la puissance du signal CPL absorbée par l’im- pédance globale de la ligne et d’autre part la puissance du signal CPL rayonnée par la

(44)

ligne. Ces pertes dépendent de la distance entre l’émetteur et le récepteur. Ces pertes varient de -40 à -100 dB/km [42].

Contrairement aux pertes de couplage, les pertes en ligne ne dépendent pas de la fréquence.

3.1.4.2 Les pertes de couplage

Ces pertes se définissent par le rapport de la puissance totale transmise par la puissance totale reçue, lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur est nulle.

P_couplage = P uissance transmise

P uissance re¸cue |_d_{Rx−T x=0}

Les travaux de CHAUVINIERE J.L [42] ont permis d’exprimer cette perte. Elle dé- pend de l’impédance d’entrée Z_in, de sortie Z_out et de celle de la ligne CPLZ_{RCP L}.

P_couplage = ^(Z^{RCP L}_Z^+Zⁱⁿ⁾²^.(Z^{RCP L}^+Z^out⁾²

in.Zout.ZRCP L

La figure 3.1.7 donne la représentation schématique du circuit émetteur-récepteur.

FIGURE3.1.7 – Représentation schématique du circuit émetteur-récepteur

La figure 3.1.8 représente les courbes des pertes de couplage en fonction deZ_out pour deux valeurs de Z_in : 2 et 10 Ω, Z_{RCP L} étant égale à 2 Ω. Sur cette figure, les

(45)

pertes ont une valeur positive en décibel (dB) à cause de la formule utilisée ; cette dernière consistait au rapport de la puissance émise par la puissance reçue. En se basant sur ces courbes, on conclut que les pertes sont minimales pour la condition : Z_in =Z_out =Z_{RCP L}.

F^IGURE 3.1.8 – Les pertes de couplage en fonction deZ_out

Le problème se situe dans le fait qu’on a une impédance de réseau très faible. Les impédances utilisées dans le récepteur ou dans l’émetteur sont généralement plus grandes. Ainsi, pour minimiser les pertes de couplage, le modem CPL doit avoir une impédance de sortie la plus faible possible.

Une partie non négligeable de la puissance produite par l’émetteur peut être réflé- chie et retourner jusqu’à celui-ci [43]. Cet écho de l’émetteur sur lui-même représente une perte d’énergie perdue au même titre que la perte de couplage ou la puissance qui peut être absorbée par d’autres dispositifs électriques.

3.1.4.3 Atténuation des principaux équipements électriques

Selon LAGRANGE X [43], l’atténuation minimale de l’ensemble compteur/disjoncteurs est de 30 dB pour un équipement émettant un signal à une fréquence supérieure à 20 MHz. Pour les fréquences situées en dessous de 20 MHz, la valeur moyenne de l’at-

(46)

ténuation est d’environ 50 dB. Un coupleur CPL de bonne qualité permet toutefois de réduire l’atténuation de 10 à 15 dB pour certaines fréquences.

Le tableau 3.1 récapitule quelques valeurs d’atténuation pour les principaux équipements du réseau électrique.

TABLE 3.1 – Atténuation des principaux équipements électriques [43]

Équipements Atténuation Commentaire

électriques

Compteur Ils atténuent le signal mais ne le

électromécanique 15 dB bloquent pas, si bien que le signal CPL se propage hors du réseau électrique privé.

Compteur 15 dB Même commentaire que celui

électronique du compteur électromécanique

Si le signal traverse un trop grand Disjoncteur 5 dB nombre de disjoncteurs pour relier deux

modems CPL, il risque d’être trop atténué.

La qualité de la multiprise influe Multiprise 10 dB énormément sur l’atténuation.

Il faut donc éviter de brancher les équipements CPL sur des multiprises.

Compteur L’ensemble compteur + disjoncteurs

électronique 20 à 30 dB n’atténue pas assez le signal pour empêcher

+ qu’il se propage hors du réseau électrique

disjoncteurs privé d’un appartement ou d’une entreprise.

Compteur 30 dB Au-dessus de 20 MHz

électromécanique

+ 50 dB En dessous de 20 MHz

disjoncteurs

La littérature [43] indique que dans un réseau de distribution basse tension, l’atté- nuation moyenne du signal est de l’ordre de 50 dB/km.

3.2 Présentation des modulations

Plusieurs types de modulation ont été étudiés et sont candidates à la transmission par courant porteur en ligne. Les trois modulations utilisées pour les applications CPL sont :

(47)

? les modulations numériques monoporteuses,

? les modulations à étalement de spectre,

? les modulations numériques multiporteuses.

3.2.1 Modulations numériques monoporteuses

Ces modulations sont employées pour des transmissions à bas débit.

3.2.1.1 Principes généraux

Afin de réaliser le transport d’une information d’un point à un autre, on utilise une onde porteuse sinusoïdale haute fréquence. Cette onde est caractérisée par son amplitude A, sa fréquence et sa phase instantanée :

ϕ(t) = ω₀t+ϕ₀

avec :

? ω₀ : la pulsation à l’origine

? ϕ0 : la phase à l’origine

En faisant varier l’un de ces trois paramètres en fonction des variations d’amplitude du signal à transmettre, on réalise une modulation d’amplitude. Cette même opération peut se faire en variant la fréquence ou la phase du signal à transmettre : on parle respectivement de la modulation de fréquence ou de phase. Le signal à transmettre est appelé signal modulant. En sortie du modulateur, le signal modulé obtenu est y_mod(t) et s’écrit :

y_mod(t) = A.cos(ω₀t+ϕ₀)

La figure 3.2.1 illustre le principe de réalisation d’une modulation.

FIGURE3.2.1 – Principe de réalisation d’une modulation

(48)

Conception d’un réseau de communication par CPL : cas du campus de l’UAC Sikest le nombre de bits par symbole d’une modulation alors on obtient M = 2^k états de cette modulation.

En numérique, il est possible de réaliser 3 types de modulation à savoir :

? à déplacement d’amplitude ASK (Amplitude Shift Keying) ;

? à déplacement de fréquence FSK (Frequency Shift Keying) ;

? à déplacement de phase PSK (Phase Shift Keying).

La figure 3.2.2 résume ces différents types de modulation

F^IGURE 3.2.2 – Les modulations d’amplitude, de fréquence et de phase [44, 45]

3.2.1.2 Modulation à déplacement d’amplitude (ASK)

Cette modulation s’applique en faisant varier l’amplitude du signal porteur en fonction des bits à coder. La figure 3.2.3 illustre le principe de la modulation d’amplitude.

(49)

F^IGURE 3.2.3 – Principe de la modulation d’amplitude

A noter que la modulation d’amplitude est la seule utilisable sur fibre optique, car les équipements utilisés actuellement ne sont pas en mesure d’appliquer une autre modulation sur les ondes lumineuses.

3.2.1.3 Modulation à déplacement de fréquence (FSK)

En modulation de fréquence, les états binaires sont représentés par la variation de la fréquence de la porteuse. La figure 3.2.4 illustre le principe de la modulation de fréquence.

F^IGURE3.2.4 – Principe de la modulation de fréquence

La modulation FSK est utilisée pour des transmissions à faible débit sur le réseau téléphonique commuté.

3.2.1.4 Modulations à déplacement de phase (PSK)

À chacun des états binaires du signal modulant, on associe un état de phase de la porteuse. C’est-à-dire qu’on fait une correspondance entre un code binaire du signal entrant et une valeur de la phase de la porteuse. La figure 3.2.5 illustre le principe de la modulation de phase.

(50)

FIGURE 3.2.5 – Principe de la modulation de phase

Les PSK, modulations très robustes, sont utilisées dans le cas de canaux de transmission très perturbés, ou bien dans des systèmes introduisant des distorsions d’amplitude.

Cette modulation est divisée en deux catégories à savoir la BPSK (Binary Phase Shift Keying) et la QPSK (Quaternary Phase Shift Keying).

Modulation BPSK : En modulation BPSK, le signal modulé a pour expression mathématique :

y_mod(t) = Acos(ω₀t+ϕ_k)

avec A l’amplitude de la porteuse, ω₀ la vitesse angulaire ou pulsation de la porteuse à l’origine,ϕ_k déphasage entre le signal modulé par rapport à la porteuse.

Dans le cas de la BPSK, on associe à un état logique binaire entrant un état de phase du signal modulé parmi deux, comme indiqué dans le tableau 3.1.

TABLE 3.2 – Table des états de phase en BPSK [46]

Etat logique binaire Etat de phase (ϕ_k) du signal modulant du signal modulé

0 0

1 π

A partir de ces états de phase, on représente le diagramme de constellation des états en BPSK comme l’indique la figure 3.2.6.

En BPSK, on associe un bit par symbole, et on obtient une modulation à 2 états de phase :M = 2¹ avecM le nombre d’états.

(51)

F^IGURE3.2.6 – Diagramme de constellation des états en BPSK [46]

Modulation QPSK : Le signal modulé en QPSK a la même expression mathéma- tique que celle du paragraphe précédent avec la même désignation des variables.

Dans le cas de la QPSK, on associe à un état logique binaire entrant un état de phase du signal modulé parmi quatre, comme le mentionne le tableau 3.2 :

T^ABLE 3.3 – Table des états de phase en QPSK [46]

État logique binaire État de phase (ϕ_k) du signal modulant du signal modulé

00 ^π₄

01 ^3π₄

10 ^5π₄

11 ^7π₄

A partir de ces états de phase, on représente le diagramme de constellation des états en QPSK comme l’indique la figure 3.2.7.

Dans cette figure, le signal de référence représente la porteuse. Étant donné qu’on a2bits par symbole alors on a2²soit 4 états pour la modulation QPSK.

3.2.1.5 Modulation QAM

La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou modulation d’amplitude en quadrature de phase est une technique qui emploie la combinaison de la modulation de phase et d’amplitude.

Elle est utilisée par les modems pour leur permettre d’avoir un débit binaire plus élevé.

(52)

FIGURE 3.2.7 – Diagramme de constellation des états en QPSK [46]

Prenons par exemple un signal modulé QAM avec 3 bits par symbole, donc 8 états binaires. Dans cet exemple, nous prendrons 2 amplitudes combinées avec 4 valeurs de phase différentes.

A partir de la table 3.3, essayons de coder la suite binaire 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0.

La figure 3.2.8 illustre bien cet exemple de codage à base de la modulation QAM.

F^IGURE 3.2.8 – Exemple de codage à base de la modulation QAM

Les combinaisons possibles en modulations QAM sont souvent représentées par

(53)

T^ABLE 3.4 – Exemple de table de correspondance QAM Groupe de bit Amplitudes Valeurs de phase

000 1 0

001 2 0

010 1 ¹/4

011 2 ¹/4

100 1 ¹/2

101 2 ¹/2

110 1 ³/4

111 2 ³/4

une constellation de points représentant chacun un groupe de bits, comme l’indique la figure 3.2.9.

FIGURE3.2.9 – Exemple de constellation QAM8 (3 bits par symbole)

Dans une constellation QAM, l’éloignement du point par rapport à l’origine indique l’amplitude, son angle indique le décalage de phase.

Cette modulation est la technique de transmission utilisée dans les réseaux ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line).

3.3 Modulation à Étalement de spectre

Le principe de l’étalement de spectre peut être expliqué par la relation ci-dessous.

Cette relation exprime la capacité C du canal perturbé par un bruit additif gaussien : C =B∗log(1 + ^P_P^s

b)

Avec :