transmission haut débit sur un réseau de type XDSL ou PLC

COMPATIBILTE ELECTROMAGNETIQUE DES SYSTEMES DE

Introduction

L'arrivée des systèmes de transmission à haut débit sur le réseau d'accès (xDSL) ou sur le réseau électrique (CPL), s'accompagne de contraintes de compatibilité électromagnétique (CEM) dont il faut tenir compte. Le contexte normatif des systèmes de transmission large bande fait l'objet de la seconde partie de ce chapitre, où sont présentés les différents périmètres actuellement débattus dans les instances de normalisation.

Contexte

Les phénomènes électromagnétiques

• Champs rayonnés
• Champ magnétique
• Champ électrique
• Champ électromagnétique
• Interférences électromagnétiques
• Définition
• Emission électromagnétique
• Susceptibilité électromagnétique
• Bruit de mode commun et de mode différentiel
• Compatibilité électromagnétique (CEM)

L'effet du champ électromagnétique sur un récepteur dépend de la longueur d'onde émise par le champ électromagnétique et de la distance de la source. A une distance D très inférieure à λ/2 π de l'antenne (c'est-à-dire un sixième de la longueur d'onde), le champ est dit proche (Figure I-5).

Les nouvelles technologies de transmission à haut débit

• La boucle locale
• Les technologies haut débit de la famille xDSL
• HDSL
• SDSL
• ADSL
• VDSL
• La technologie PLC

Le but du xDSL est de mélanger le trafic data, voix et vidéo sur le réseau téléphonique traditionnel. Un mode diagnostic et test embarqué dans les modems facilite la mise en œuvre de la ligne (configuration, test de la ligne, diagnostics à disposition du FAI).

Fréquences utilisées dans les systèmes de transmission haut débit

Aux basses fréquences, la longueur des câbles est faible devant la longueur d'onde λ, les temps de propagation d'une extrémité à l'autre des câbles sont négligeables, ce qui revient à admettre que la vitesse de propagation est infinie. Cependant, en présence d'un courant alternatif haute fréquence (f > 1MHz), la longueur des câbles n'est plus petite devant λ et il faut alors tenir compte des temps de propagation.

Contexte normatif des nouveaux systèmes de transmission à haut débit

• Le cadre normatif des systèmes à haut débit
• La nouvelle directive applicable aux installations
• Le mandat M313
• La proposition allemande NB30
• La norme anglaise MPT1570

Au sein de la CEPT, il existe plusieurs groupes de travail permanents : par exemple, le WG-SE35 détermine les limites d'émission rayonnée pour les réseaux câblés. 2°) Cette procédure d'évaluation de la conformité et de marquage CE n'est pas adaptée aux installations fixes.

Conclusion

Les champs électromagnétiques évalués par la théorie des antennes sont représentés sur les courbes de la Figure III-26. Les résultats obtenus par la première approche sont représentés sur les courbes de la figure III-36.

ETUDE DES COUPLAGES ELECTROMAGNETIQUES DANS DES

Introduction

Dans ce chapitre, nous présentons d'abord la théorie des antennes pour étudier les mécanismes de rayonnement dans un système filaire. Dans la deuxième partie, nous introduisons la théorie des lignes de transmission, associée à une approche topologique.

Théorie des antennes

• Cas des lignes situées dans un milieu infini et homogène
• Cas des lignes situées au dessus d’un sol parfaitement conducteur

Dans un premier temps, nous traitons le cas de lignes rectilignes situées dans un milieu infini et homogène de permittivité ε et de perméabilité µ. Le champ électrique rayonné par un conducteur au-dessus d'une terre parfaitement conductrice a pour expression

Théorie des lignes de transmission

• Calcul des distributions de courant et de tension
• Solution du système
• La topologie électromagnétique
• Calcul de champ électromagnétique rayonné
• Utilisation de la réciprocité

Les vecteurs V(L), V(0), I(L), I(0), de dimension (Ni), représentent les tensions et courants induits aux extrémités de la ligne i et sont les inconnues du problème. V(z) et I(z) sont les vecteurs tension et courant à l'abscisse z le long du câble et V(0) et I(0) sont les vecteurs tension et courant à l'origine de la ligne.

3.2.1.1. Tension induite par un dipôle électrique

Le but de cette étude est le calcul du champ électromagnétique généré en un point P de coordonnées arbitraires (x, y, z). Comme les sources de tension ou de courant permettent aux courants de circuler dans le câble, l'énergie ne circule pas seulement dans les fils, mais se propage également partiellement dans le milieu environnant sous la forme d'un champ électromagnétique.

3.2.1.2. Tension induite par un dipôle magnétique

3.2.1.3. Courant induit par un dipôle électrique

Remplaçons maintenant la source de tension qui a produit la tension VT1 par un court-circuit dans lequel le courant IT2 est mesuré en prenant la convention de signe du générateur pour ce courant correspondant au sens choisi pour VT1. Une source de tension de valeur VP2 est placée aux bornes d'un dipôle électrique, en utilisant la convention de signe du générateur pour cette tension correspondant au sens choisi pour IP1.

3.2.1.4. Courant induit par un dipôle magnétique

• Emission électromagnétique d’un câble
• Modélisation des paires torsadées
• Formalisme pour le calcul des paramètres linéiques
• Cas d'une ligne située au dessus d’un sol parfaitement conducteur
• Cas d'un sol imparfaitement conducteur
• Développement d'un outil numérique pour le calcul des paramètres linéiques
• Validation de l'outil de calcul

¾ de la composante selon l'axe du câble MA dz du moment dipolaire magnétique,. ¾ De la composante orthogonale à l'axe du câble Mp dz du moment dipolaire magnétique, non compris la contribution du courant de mode commun.

4.5.1.1. Mesures des inductances et des capacités linéiques

4.5.1.2. Mesure de la résistance linéique

• Validation théorie - expérimentation : câble à 2 paires torsadées
• Validation théorie - expérimentation : câble à 4 paires torsadées

Les principaux paramètres du câble ont été mesurés dans les laboratoires R&D de France Télécom (Voir Annexe C). Différents câbles multiconducteurs à paires torsadées (4 paires) ont été étudiés dans ce travail.

4.5.3.1. Le cas d'un câble à 4 paires torsadées non-écranté

Les paramètres primaires ont été calculés par notre modèle, puis des expériences ont été menées pour mesurer les mêmes paramètres.

4.5.3.2. Le cas d'un câble à 4 paires torsadées écranté

• Impact de la torsade sur les émissions rayonnées
• Validation globale de l'outil de simulation
• Résultats concernant les courants
• Résultats concernant les champs E et H
• Conclusion

Les résultats obtenus avec le code NMTL sont représentés sur les courbes de la Figure III-40. Les courbes de la Figure V-30 représentent l'évolution du couplage en fonction de la distance Dx.

ETUDE DU POINT DE VUE ELECTROMAGNETIQUE DE L'INFLUENCE

Introduction

Pour tenir compte du couplage électromagnétique à travers la discontinuité, la ligne peut être traitée comme une ligne de transmission non uniforme. Les paramètres linéaires de la ligne diffèrent donc fortement dès que l'on approche du point de discontinuité.

Formalisme pour le calcul des paramètres linéiques d'une ligne non uniforme

Application du formalisme au cas d'une ligne monofilaire

• Validation du formalisme développé
• Validation par la méthode des moments

Sur la base du formalisme introduit précédemment, les paramètres linéaires prenant en compte l'angle α0 sont donnés par les expressions suivantes. Les distances R entre le point d'observation s, qui est situé sur la surface du conducteur, et le point ¶, qui est situé sur l'axe de la structure, sont données par les expressions suivantes.

3.1.1.1. Cas d'une ligne formant un coude de 90°

• Validation par la méthode proposée dans [NIT03]

Dans un premier temps, une comparaison a été faite avec les résultats du code basé sur la méthode des moments [CHU02], dans un deuxième temps, une autre comparaison est également faite avec les courbes obtenues par la technique proposée dans [NIT03] et basée sur la théorie des lignes. Dans ce paragraphe nous avons fait une comparaison avec le formalisme basé sur la théorie des lignes [NIT03].

On remarque que dans le cas d'une droite de longueur infinie et de même rayon (a1=a2), lorsque L1, L2→+∞, les paramètres linéaires tendent vers des valeurs équivalentes à celles d'une droite uniforme et rectiligne dont les expressions sont rappelés ci-dessous : . a ), h ln(2 ) 2. Cette approche permet d'étudier une discontinuité dans une raie bifilaire dans une approche quasi-statique.

• Cas d'une ligne avec un coude de 90° et a 1 = R1, a 2 = R2
• Cas d'une ligne avec un coude variant entre 30° et 120°
• Application du formalisme aux câbles multifilaires
• Exemples d'applications
• Impact d'une discontinuité sur la distribution des tensions et des courants
• Calcul des champs électromagnétiques rayonnés dans une ligne multipaires non
• Validation de formalisme par comparaison avec la théorie des antennes

Les courbes de la figure III-10 illustrent l'évolution des paramètres linéaires en fonction du rayon. Par exemple, les courbes de la figure III-19 représentent les distributions de tension et de courant pour le cas d'un câble unifilaire, excité par un générateur de 1 volt, avec une charge résistive.

6.1.1.1. Calcul de la distribution de courant

6.1.1.2. Calcul des champs électrique et magnétique

• Cas de deux conducteurs rectilignes

6.1.2.1. Calcul de la distribution de courant

6.1.2.2. Calcul des champs électrique et magnétique

• Application au cas d'un câble bifilaire formant un angle 90°

6.1.3.1. Calcul de la distribution de courant

Les résultats présentés dans la Figure III-30 se réfèrent à la distribution de courant obtenue par la théorie des lignes de transmission. Encore une fois, il y a un très bon accord entre les résultats des deux approches.

6.1.3.2. Calcul des champs électrique et magnétique

• Cas d'un câble bifilaire ayant un coude de 90° et une hauteur non uniforme

Les courbes du haut correspondent aux courants sur le premier fil (I1), celles du bas donnent la répartition des courants sur le second conducteur (I2). On a maintenant affaire à la même configuration que précédemment, mais on voit cette fois que la seconde partie du câble n'est plus à hauteur constante du sol, comme le montre la figure III-33.

6.1.4.1. Calcul de la distribution de courant

Le premier conducteur est excité par une source de tension de 1 volt et chargé dans une résistance de 120 ohms.

6.1.4.2. Calcul des champs électrique et magnétique

• Cas d'une configuration complexe composée de deux conducteurs

6.1.5.1. Calcul de la distribution de courant

6.1.5.2. Calcul des champs électrique et magnétique

• Comparaison des temps de calcul
• Conclusion

Nous nous intéressons à l'évolution des émissions conduites en fonction de la longueur (LBr) et de la déformation (ZBr) de la branche. ¾ L'impédance d'entrée de la charge connectée au shunt a une grande influence sur la fonction de transfert.

ETUDE PARAMETRIQUE DE L'EMISSION ELECTROMAGNETIQUE

Introduction

Cette étude est réalisée en faisant varier les paramètres de connexion pertinents. Cette technique consiste principalement à quantifier le mode commun sur chaque conducteur à l'aide de l'algorithme LMS (filtre adaptatif).

Fonctionnalités de l'outil de simulation

L'outil de simulation est basé sur la théorie des lignes de transmission multifilaires et le concept de topologie électromagnétique.

Influence de la longueur du câble d'ITC sur les émissions rayonnées

Les champs électriques obtenus sont représentés sur les courbes de la Figure IV-3 par rapport au compteur sur le NB30. Il est à noter que dans certaines bandes de fréquences le rayonnement dans le champ électrique d'un câble téléphonique exposé à un DSP VDSL dépasse la limite proposée par NB30, le dépassement maximum est de 20 dB à l'exception du câble catégorie ITC 5 blindages de courte longueur (< 7 mètres).

Influence de la distance d'observation par rapport au câble d'ITC

La figure IV-11 montre l'évolution du champ E en fonction de la distance d'observation « D », pour une transmission ADSL sur un câble ITC de catégorie 5, calculée à une fréquence de 1 MHz. La décroissance des champs électriques et magnétiques pour une distance d'observation allant de 1 à 7,5 m selon le modèle de propagation en champ proche.

Influence d'une discontinuité géométrique de la liaison

Si la source est à haute impédance, l'impédance de l'onde est élevée et le champ électrique est dominant, E est proportionnel à 1/D3 et H à 1/D2. En revanche, si la source est à faible impédance, l'impédance de l'onde est faible, et le champ magnétique est dominant, H varie en 1/D3 et E en 1/D2.

Influence de la présence d'un défaut sur le câble

• Défaut d'isolement dans un câble multifilaire du réseau de distribution
• Localisation d'un défaut dans un câble de distribution

Les résultats présentés dans cette section illustrent l'effet d'un défaut capacitif sur un câble transportant une transmission ADSL. Ils montrent que la présence d'un défaut a pour effet d'augmenter le niveau des champs rayonnés (en moyenne de 30 dB) et que ce phénomène s'accentue lorsque la fréquence augmente.

Etude d'une technique de réduction des signaux de mode commun lors d'une

• Le filtrage adaptatif
• Positionnement du problème
• Algorithme récursif des moindres carrés (RLMS)
• Gain d’adaptation normalisé
• Application au cas de suppression de mode commun
• Les modes de propagation

Pour éviter que le gain n'augmente indéfiniment lorsque la puissance du signal de référence tend vers zéro, le dénominateur du gain peut être corrigé en ajoutant un terme constant a<<1. Si le signal x(n) n'est pas stationnaire, il faut estimer la puissance moyenne du signal de référence Px ≡σx2 à chaque instant.

7.2.1.1. Mode différentiel

Comme cet algorithme utilise un gain normalisé par la puissance σx2 du signal x(n), il est appelé algorithme NLMS (Normalized Least Mean Square). Sur une liaison bifilaire, le signal peut se propager de deux manières : soit en mode différentiel, soit en mode commun.

7.2.1.2. Mode commun

• Relation entre le mode commun et le rayonnement
• Méthode de réduction des signaux de mode commun

Le courant de mode commun I peut être relié, en première approximation, au champ électrique rayonné E par l'équation (EQ - IV-13). La figure IV-32 illustre la relation liant le mode commun au champ électrique rayonné (F=1MHz, r=1m, L=20m).

7.2.3.1. Filtre adaptatif RLMS

7.2.3.2. Adaptation

• Résultats de simulation
• Synthèse des résultats
• Conclusion
• Introduction
• Modélisation d'une chaine de transmission d'un réseau électrique
• Théorie des lignes de transmission multiconducteur 'MTL'

Les courbes de la figure IV-37 représentent les tensions et les courants pour une transmission adaptée (notée : AA) et non adaptée (notée : SA), respectivement. L'évolution du mode commun dans la bande de fréquence ADSL est représentée sur les courbes de la figure IV-38.

2.1.2.1. Impédance d'entrée en parallèle

Les branches d'une chaîne de transmission d'un réseau électrique seront modélisées en fonction de leurs impédances d'entrée, afin de modéliser les différents équipements connectés au réseau.

2.1.2.2. Impédance d'entrée en série

2.1.2.3. Transformateur en parallèle

2.1.2.4. Fonction de transfert équivalente

• Modèle à multi-nœuds " Mpath "
• Détermination de la fonction de transfert totale
• Exemple de fonction de transfert pour un réseau domestique
• Validation expérimentale du code de calcul développé
• Résultats concernant les émissions conduites
• Résultats concernant les émissions rayonnées
• Etude paramétrique d'une transmission PLC
• Influence d'une dérivation sur la fonction de transfert
• Influence de la longueur du canal sur les émissions conduites
• Influence de la dérivation sur les émissions conduites
• Etude de la coexistence des systèmes PLC et xDSL
• Modélisation de la configuration expérimentale
• Conclusion

L'évolution du niveau des émissions conduites en fonction de la longueur de la ligne est discutée dans cette section. L'évolution du couplage en fonction de la distance D entre le câble d'alimentation et le câble de télécommunication est représentée sur la figure V-28.