Soutenuele 5 Wembre 1991devant la Commission d'Examen
Membresdu Jiq :MM* , R GABILLARD
Y. DAVID
P. DEGAUQUE
P A ROLLAND
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Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre d'un programme de recherche
entre U UNI VER SITE DES SCIENCES ET DES TECHN...
A ma fam~le,
Agnès,Mai' -aiet'ITam12e
J'ai été acceuilli au laboratoire de Radiopropagation et Electronique par Monsieur le Professeur
Robert GABILLARD qui a as...
SOMMAIRE.
l
1.5. PRESENTATION DU SYSTEME ~ ' 4........................................ 17 ,
II. CHAPITREII :LESMELANGEURSe...
........................................................................II-4.2. C A R A ~ R I ~ Q U E SDU MELANGEUR BALISE...
L A LIGNE MICRORUBAN SUR EPOXY...................................... 57
L'ANTENNEDIPOLE DEMI-ONDE ...........................
SOMMAIRErn
.........................OPTIMISATIONDE LA STRUCTURE DE LA BALISE "FENTE" ...82
..................................
SOMMAIRE
Pour renforcer la sécurité des lignesde chemin de fer, la SNCFest à l'origine d'un projet qualifié de «révolu-
tionnaire~:...
déplacement du
véhicule
Actuellement et exception faite des systèmes de localisation à contact mécanique, la plupart des dispositifs
commercialisé...
' INTRODUCTION GENERALE
Signalonsque le domaine d'applicationdessystèmesénumérésest relativement vaste et n'est pas limité...
Notre travail ne constitue qu'une partie du processus d'industrialisation de tel ou tel système. En effet, les
systèmespro...
1 des capteurs de position sur les possibilités d'applications offertespar le système. On verra en
effet que la notion de ...
déplacement d u
v é h i c u l e
Contenu du registre embarqué 1
Horloge
I Pseudo periode b2=1= 7
Fig. 1.d .Exemple de codag...
PAR UNE SEULE BAUSE NUMERiQUE
îi?ANSERT D'INPORMA'I~ONSCODEES
NUMERlQUES PAR PROCEDE DE MODULAîïON PERMETENTRE AUTRES LA L...
ordre de ordre de
ralentissement freinage
passage en vitesse
normale
O O O 4
o n O 0
.......................... >
sens de ...
En utilisation réelle,le degré n est évidemmentsupérieurà celuide l'exemple :il est fonction de
1la longueur de la voie co...
-poussières - huiles,
- présence d'objetsmétalliques,
-perturbations électromagnétiques:interférences radio, moteurs de tr...
BALISE
Autre balise
fig.1.4 . Synoptique du système initial.
Amplitudes
Gabarit du
fig.1.5 . Spectre de fréquence associé ...
-PRESENTATION GENERALE
Les balises sont lues au vol par l'interrogateur selon le principe suivant : 1
- del'énergie sousfo...
PRESENTATION GENERALE
Eneffet,silabalisesesituedansune zoneoùl'induction magnétiqueestinsuffisante,le mélangeurbalise
est ...
Source hyper 1 1 lqGH=+-.; Sources moyennes frequences
T r a i t e m e n t
l o c a l i s a t i o n
Soectre 4
~"."..'.'dsen...
PRESENTATION GENERALE
Ce nouveau procédé confère au systèmed'autres propriétés très intéressantes :
-insensibilité aux flu...
2- L'énergie MF est fourniepar la (ou les) source (s) MFde fréquenceFO (ou FI, F2, ...Fn). Les
composantes "d'induction" d...
1 Ligne d'alimentation A n t e ~ efente HF
I
J Mélangeur
cadre HF
Plan réflecteur
fig.1.8 . Balise "fente"
FIG.1-7 .Exempl...
PRESENTATION GENERALE=
2- D'un autre côté, les mesures montrent que les composantes spectrales des perturbations
produites...
Antenne HF
Bobine
B1
256mm
Mélangeur
Fig. 1.9 - Balise patch différentielledu système nOl( top de position ).
l cadre émet...
Elle est composée :
-d'une antenne "fente" classique (HF),
-d'un cadre MF imprimé,
- d'un mélangeur constitué par une diod...
l
Balise différentielle
H-26CM
~ ~ l r m f g l ( ~ s - 5 t t i l l i sec f d i v
kWLItUDE = i v o l t / d i v
VItESIih DE ...
' z ~ r (0 1 <- ,,1,, as!loq aun'p snssap-no no
ZHW P <- ,,O,, as!loq aun,p snssap-no assod alna!q?~al !s
J ~ S ! D ? J ~a...
/L'inversion de phase a lieu très précisément à x = 0.
La description du phénomène est ici purement qualitative et ce sont...
I I
Fk Fiv
Balise numérique Signai modulant
la diode de la balise !
Fig. 1.14- Schémade principe du système n"2.
Modulateu...
PRESENTATION GENERALE
1Remarques
1 On notera plus particdièrement :
1 -précision obtenue d'environ 1cm (sans les 3cm d'eau...
Le procédé de codage différentielest parfois utilisé dans les récepteurs BPSK (sauts de phase
O -a ) où n'existe pas ce pr...
1-1 PRESENTATION GENERALEm
PRESENTATION DU SYS'IEME -BALISES NUMERIQUES A IM-
PULSIONS 50 MHz,RECEPTION H ~ ~ ~ R O D Y N ...
2 -Contraintestechniques.
a) balises.
- les répondeurs (balises) seront posés dans l'axe de la voie (ainsiils peuvent être...
l --------- SYSEMEW1
--------
structure+&ultats
1
l
~ sources moyennesfréquences
1
DEMODULATEUR
l
~1
AN'IENNES et PROPA-
I...
A cet effet, dans le reste du mémoire, nous nous efforcerons dejustifier les propos déjà tenus et
de répondre à d'autres q...
I
I BANCD'ESSAIS DYNAMIQUES.
HAPITRE II.
HAPITRE II.
Impédance des transformateurs ?
A Mélangeur
Charge
u
Antenne (source)
d'impedance Z A
w
Fig.2.1. Représentation du problém...
1 1 ous avons précisé au chapitre précédent le rôle de chacun des mélangeursdu système.
En ce qui concerneplus particulièr...
fig 2.3. Principe du changement de fréquence.
a
2
V1
Puissances a3 Puissances C -(L
ln C C
c
.-
&
4
a,
.- e,
(r Ca a,
r g
...
LES MELANGEURS-
considération le fait qu'une partie seulement de la puissance du signai d'entrée est convertie à la
fréque...
II- 1-3
où Va - Rs IDest la potentiel effectivement appliqué à la jonction
Rs est la résistance série (contacts + substrat...
1
fig 2.5. Caractéristique courant-tension de la diode HSMS 2800
à la température T = 25-C.
.................................
LES MELANGEURS-
II- 2 LEPROCESSUS DE MELANGE
Dans ce paragraphe, à partir des caractéristiques des diodes choisies, on se ...
$<Vo, cr2te
(ou Vprrite)
F i g . 2 .? : Principe du pompage de l a diode sans
polarisation continue externe.
TEMPS 0.4 pS ...
LES MELANGEURS-
- Dans le sens direct, l'accroissement de la tension de pompage provoque une diminution de la
conductance ...
fig 2.9.Forme temporelle équivalente de la conductance de la diode ,
pompée
11est alors possible de considérer les éléments Rs et Cj comme des éléments de valeur constante.
La forme temporelle de la...
O 0.5 1 1-5 2 2-5 3 3-5
FREQUENCE~( GHz )
fig2.10.Pertes de conversion théoriques (totales) dues aux
caractéristiques de Q...
LES MELANGEURS-
En ce qui concerne les pertes, on remarque que la diode 2820 ou 2835 est meilleure que la 2800,
surtout à ...
1 FREQUENCE GHz
fig.2-Il. Pertes de conversion inhérentes aux impédances parasites.
fig2.12.Schéma équivalent réel de la d...
II- 3
Aux hautes fréquences, les effets dus à la capacitancedeviennentprépondérants.
On remarquera qu'à 1GHz, les trois di...
ADRET ou RHODE
et SCHWARTZ
HP 71 000
SMH Wavetec - 193
-Court-circuit HF
r----- ------
en circuit ouvert
FIG. 2-13.Montage...
LES MELANGEURS-
QU ES PRATIQUES DES MELANGEURS
Dans ce paragraphe, nous proposons les structures de mélangeur concernant t...
fig2-14,Cellule mélangeuse optimisée (pour Io, crête > 10mA).
fig2-1S.Réponse du mélangeur pour Io, crête = 10mA.
fig 2.16...
L'optimisation des pertes de conversion résulte de "l'adaptation'' de la diode 2800 avec les
éléments qui lui sont associé...
CENTER 1.477 0 GHz SPBN 200.0 Hdz
*iiiB0 kHz *UE 3.80 k4z ST 2.8QEi sec
figZ.12 Réponse du mélangeur pour Io, créte = 30mA...
LES MELANGEURS-
La figure 2-14 montre la cellule mélangeuse optimisée à 1GHz.
Le transformateur quart d'onde est constitué...
fig2.79.Reponse F I du mélangeur bolise en fonction de la fréquence.
fig2.20.Schéma de principe d'un rnélongeur BF
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  1. 1. Soutenuele 5 Wembre 1991devant la Commission d'Examen Membresdu Jiq :MM* , R GABILLARD Y. DAVID P. DEGAUQUE P A ROLLAND M. HEDDEBAUT A GAZET R LARDENNOIS AJ. POUILLE Pdsident, Directeur de These Rapporteur Rapporteur Examinateur Examinateur Invité Invité Invité
  2. 2. Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre d'un programme de recherche entre U UNI VER SITE DES SCIENCES ET DES TECHNOLOGIESDE LILLE, la SOCIETE NATIONALE DES CHEMINS DE FER FRANÇAIS et la société MATRA TRANSPORTS. L'impétrant a benéficié d'une bourse de thèse co-financke par le Conseil Régional Nord-Pas de Calais et la SNCF. Nous tenons à remercier tous ces organismes. .
  3. 3. A ma fam~le, Agnès,Mai' -aiet'ITam12e
  4. 4. J'ai été acceuilli au laboratoire de Radiopropagation et Electronique par Monsieur le Professeur Robert GABILLARD qui a assuré la direction de ce travail. Il a su être de bon conseil tout en me laissant beaucoup d'initiatives L'aide efficace qu'il m'a prodiguée, aussi bien technique que financière, la patience dont il a si1 faire preuve à mon égard, ses qilalités d'inventeur et d'homme de dialogue ont contribué à l'aboutissement de ce travail. Pour tout cela et pour avoir su faire de moi un ingénieur, je lui dédie ce travail et lui exprime ma très sincère reconnaissance. Je tiens à le remercier de l'honneur qu'il me fait en acceptant de présider mon jury. Qu'il me soit permis d'adresser mes remerciements: à Monsieur le Professeur Pierre DEGAUQUE pour l'aide et les conseils qu'il m'a toujours prodigués et pour avoir accepté d'assurer la tâche de rapporteur, à Monsieur Y. DAVID. directeur du C.R.E.S.T.A.,pour m'avoir fait l'honneur de juger mon travail et à Monsieur M. HEDDEBAUT. directeur de recherche dans ce même centre, pour avoir accepté de faire partie du jury, à Monsieur le Professeur P.A. ROLLAND du Centre Hyperfréquence et Semi-conducteur qui m'a accordé le bénéfice de ses conseils au début du travail de thèse et qui a bien voulu l'examiner, à Monsieur A. GAZET, chef de division du département ASTREE à la SNCF, pour l'intérêt qu'il porte à nos travaux. Ce mémoire est pour moi l'occasion de lui faire part de toute ma gratitude pour m'avoir octroyé une aide financière pour mes recherches concernant les systèmes de localisation. à Monsieur R. LARDENNOIS, responsable du service "Produits Nouveaux" de MATRA-TRANSPORT qui a bien voulu faire partie du jury. à Monsieur A. J. POUILLE. directeur des transports et à Madame SAUVET , directrice du service recher- che du Conseil Régional Nord / Pas-de-Calais qui m'ont octroyé une bourse de recherche BDI. à Monsieur C. SEMET, ingénieur de recherche au laboratoire dont l'aide et les conseils ont été determinants pour mener à bien l'ensemble des travaux , à Messieurs M. HAMZAOIII, P. LECOCQ, A. WOESTELAND qui préparent une thèse. Leur aide constante et efficace a également contribué à l'aboutissement de ce travail. à Monsieur B. DESMOULIN, Maître de Conférences, aux ingénieurs: Messieurs J. BAUDET, D. CHARPENTIER, et à Messieurs D. DESGARDIN et M. GHAZLI, pour m'avoir accordé le bénéfice de leur conseils pendant toute la durée de ce travail. à Madame C. CHEROUTRE pour les nombreux services de secrétariat qu'elle m'a rendus, je ne saurais oublier de remercier Messieurs les Professeurs L. RACZY et J.P. DUBUS pour le dévoue- ment qu'ils ont toujours manifesté à l'égard des étudiants du C.N.A.M dont j'ai fait partie. Mesdenioiselles Emmanuelle TALLEU et Maï-Thi NGUYEN, Madame Rosine REYNAERT ont assuré la dactylographie de ce mémoire. Je les remercie pour leur patience, leur bonne humeur et la qualité de leur travail La reproduction de ce mémoire a été assurée par Monsieur J.P. DEHORTER, que lui meme et ses collègues des ateliers mécaniques trouvent ici l'expression de toute ma considération. Enfin, j'exprime ma reconnaissance à tous mes camarades du laboratoire pour la sympathie qu'ils m'ont toujours ténioignée.
  5. 5. SOMMAIRE. l 1.5. PRESENTATION DU SYSTEME ~ ' 4........................................ 17 , II. CHAPITREII :LESMELANGEURSe...ee....ee...e.e.....e.........e.... 2 4 1 ..................................................................II-1. LA CONVERSION DE FREQUENCE 24 ....................................................................................11.1.1 PROCESSUSDE MELANGE .PRINCIPE 24 II.1.2 CARACTERISTIQUES DE L'ELEMENT MELANGEUR :LADIODE SCHOTTKY...........................2 5 , ........................................................................................II.1.3 CHOIXDES DIODES SCHOTTKY 26 1 II.2.1. ANALYSE QUAL~ATIVE.RAPPEL ........................................................................................28 1 II.2.2 ANALYSE QUANTITATIVE .....................................................................................................28 11-2.2.1. M ~ O D ED'ANALYSE THEOIUQUE .PERTESDE CONVERSION .IMPEDANCES D'ENTREES RF ET DE SORTIE FI ........................................................................................................28 11.2.2.2. ESTIMATIONDES PERTES DUES UNIQUEMENT AUX ELEMENTS PARAS^ DE LA DIODE ......30
  6. 6. ........................................................................II-4.2. C A R A ~ R I ~ Q U E SDU MELANGEUR BALISE 3 2 ' l ......................................................................................11.4.2.1. CHOIXDE LA ~ C T U R E 3 2 1 II.4.2.2. C A R A ~ R I ~ Q U E SDU MELANGEUR ....................................................................3 3 , II.4.2.2.1. OPTIMISATIONPRATIQUE DES PERTES DE COWRSION DU MELANGEUR..............33 ..................................II.4.2.2.2. INFLUENCE DU NiVElAU DU SIGNAL D'OSCILLAT~ONLOCAL 34 II-4.2.2.3. POINTDE COMPRESSION 1DB ............................................................................ 3 S 1 11.4.2.2.4. B ~ EP- DU MELANGEUR ......................................................................35 11-4.2.2.5. EssAIsA 2 GHz 36 1............................................................................................. 11-4.3. C A R A ~ R I ~ Q U E SDES MELANGEURS DE ~ C E P T I O N.........................................................3 6 , 11.4.3.1. CHOIXDE LA STRUCTURE DU MELANGEURDE R E C E ~ O N.................................... 36 II.4.3.2. CARAC~ERI~QUESDU MELANGEUR DE R E C E ~ O N..............................................37 1II-4.3.2.1. O m r s ~ n o ~DU RENDEMENT DE CONVERSION ................................................ 3 7 , 11-4.3.2.2. INFLUENCEDU m u D'OSCILLATION LOCALE .................................................. 37 1 114.3.2.3. POINTDE COMPRE~~ION1DB ........................................................................... 3 8 1 11.4.3.2.4. IMPEDANCED'ENTREE RF rn OL .................................................................... 3 8 ;I 11.4.3.2.5. BANDEPASSANTE .............................................................................................. 38 11-4.3.2.6. POSSIF~ILITED'WOLUTION A 2 GHz.................................................................. 3 8 1 II.4.4. REPRODUC~IVITEDES MELANGEUR.....................................................................................39 11.5 . MELANGEUR ACTIF ........................................................................................39 III, CWITREIII t PROPAGATIONO ANTENNES.......................42 ..................................111.1. APPROCHESIMPLIFIEE DU PROBLEME DU RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE PRODUIT PAR LES ANTEMVES........................................43 III-1.2. RAYONNEMENTDU D O U B L ~MAGNETIQUE .......................................................................... 43 III-1.3. REMARQUES....................................................................................................................... 44 III.14 . FORMULESDE BASE ............................................................................................................ 45 111.1.5. DEFINITIONSrn GENERALITES CONCERNANT LES ANTENNES..................................................45 III-1.6. CRITERESDE CHOIX DES ANTENNES ....................................................................................46
  7. 7. L A LIGNE MICRORUBAN SUR EPOXY...................................... 57 L'ANTENNEDIPOLE DEMI-ONDE .......................................................................................... 60 ............................................................................INFLUENCEDU SOL ET DES CONDUCTEURS 60 ANTENNEFENTE ................................................................................................................ 61 h m "PATCH" RECTANGUWRE .................................................................................... 62 S T R U ~ R EDES C I R C U ~MF RJZTENUSPOUR LE SYSTEME~ ' 1........................................ 73 111.6.1.1. COMPORTEMENT DES CIRCUITS MF EN FONCTION DE LA FREQUENCE ..................74 111-6.1.2 COMPORTEMENTDES C I R C U ~EN FONCTION DES DEPLACEMEWS RELATIFS INTERROGATEUR / BALISE ...................................................................................................74 DESCRI~ONET COMPORTEMENT DES CIRCUITS MF 150 KHz ....................................74 DESCRIPTIONET COMPORTEMENT DES CIRCUITS MF 1 MHz........................................77
  8. 8. SOMMAIRErn .........................OPTIMISATIONDE LA STRUCTURE DE LA BALISE "FENTE" ...82 .........................................L'INTERROGATEURLE MODULE PYTHAGORE 82 ....................................REALISATIONDE LA PARTIE DEMODULATION DE L'INTERROGATEUR 84 QUELQUES RESULTATS D'ESSAIS AVEC LA BALISE DIFFE~WIELLE ............85 ..............ANALYSEDES PROCEDES SIMPLES DE MODULATION NUMERIQUES 90 ..............................DENSITESPECTRALEDE PUISSANCE DE QUELQUES SIGNAUX MODULANTS 90 QUELQUES TYPES DE MODULATIONS ...............................................................................91 V ~ ~ . ~ . ~ . ~ O D U L A T I O N SLINEAIRES- MODULATION AM .................................................... 92 V- MODULATIONS NON LINEAIRES ............................................................................ 93 DEMODULATIONS............................................................................................................... 95 TRAITEMENTDU SIGNAL EN BANDE DE BASE ....................................................................... 97 CHOIXDU PROTOCOLE DE TRANSMISSION ..................................................100 ..........................LACARTE D'ACQUISITION DES DONNEES EN TEMPS REEL 101 LESYSTEME ~ ' 2..........................................................................................103 PRINCIPEDE FON~ONNEMENT..........................................................................................103 ..................................................................................STRUCTURESIMPLIFIEE DU S Y ~ M E 104 ..................................................................................SYNOPTIQUE GENERAL DU S Y ~ M E 105 ....................................................................................PREMIERSESSAIS DU SYS~EME~ ' 2 105 LESYSTEME N03 A POLARISATIONS CROISEES ............................................110 v.7 . LESYSTEME,N04 ..........................................................................................111 ........................................................................................................V.7.1. LA BALISE 820 MHz 111 V.7.2. LABALIsESOMHZ........................................................................................................113 v.8 . LESYSTEME N05 O BALISEA IMPULSIONS 50 MHz ....................................114
  9. 9. SOMMAIRE
  10. 10. Pour renforcer la sécurité des lignesde chemin de fer, la SNCFest à l'origine d'un projet qualifié de «révolu- tionnaire~:ASTREE (Automatisation du suivi des trains en temps réel). Samission :contrôlerdemain tout le traficferroviairefrançaiset peut-êtreeuropéen. Grâceà cesystème, ondoit être capable,à tout momencde demander à chacun des trains,sa position et sa vitesse. Toujoursencequiconcernelestransportspublics, lelaboratoiredeRadiopropagationetElectronique(LRPE) de l'université de Lille, est à l'origine des automatismes du métro de Lille :le VAL (VéhiculeAutomatique Léger). Rappelonsque commeson nom l'indique, ses rames ne nécessitent pas d'agent de conduite. Ce système originalde transport est de renommée mondiale et fait l'objet de commandes importantes. Le travail qui est présenté dans le présent exposé concerne l'étude et le développement d'un système de localisation.Cedernierconstitueun outilquipeut s'intégrer dansdenombreusesutilisationschaquefoisquelaposition d'un mobile guidé demande à être connue avec précision. Il est donc particulièrement bien adapté aux cas VAL et ASTREE. En effet, certains systèmes automatisés nécessitent des dispositifspermettant de connaître à tout moment la position (absolue) et la vitesse du mobile. C'est un changement radicalde perspective. Pour résumer :«Cen'est plus le solquivoit passer le train, mais le train quise repère constammentpar rapport au sol»,expliquePatriceBERNARD, l'un despères du projet ASTREE à la SNCF. Parmi les nombreux procédés connus capables de réaliser ces fonctions, citons à titre d'exemple la roue phonique,lecinémomètreDoppler,lagénératricetachymétrique...Lesinformationsainsirecueilliespeuvent apporter assistance à l'agent de conduite ou être transmises vers le centre de contrôleet de gestion du réseau, au moyen, par exemple,d'une liaison hertzienne véhicule - poste fixe. Ces mesuresdonnentlieu à des erreurscumulativesau fur et à mesurede l'utilisation, dues à la précisionfinie desappareilsd'unepart,etauxfluctuationsdemesureprovoquéespar desparamètresexternesd'autrepart (vibrations, température...). Pour éviter l'augmentation de cette marge d'incertitude,il est nécessaire de arecalibrer»périodiquement les appareils. Cettedernièrefonctionpeut êtreréaliséepardescapteursdeposition(balisesderecalage)disposéesàintervalle régulier ou non le long de la trajectoire du mobile.
  11. 11. déplacement du véhicule
  12. 12. Actuellement et exception faite des systèmes de localisation à contact mécanique, la plupart des dispositifs commercialiséstirent profit despropriétésdesondesélectromagnétiqueset lesutilisentcommesupportdel'informa- tion. Lafigure 1illustreleprincipe du procédé delocalisation. Levéhiculeévoluelelongd'une voiesur laquellesont disposées, à intervailes réguliers ou non, desbalises spécifiquesà la fonctionde localisation. Les balises sont lues au vol par un interrogateur placé sous la caisse du véhicule. Pour situer brièvement le marché actuel, nous rappelons ci-dessous quelques caractéristiques de balises électroniquesproposéespar différentsconstructeurs: -Certainesd'entreellessont"passives" ausensoù ellesnenécessitentpas desourced'énergieinternetelle que batterie, piles solaires...Par un procédé de modulationd'amplitude approprié, ellessont capables de transmettreau mobile un message "codé numérique". Malheureusement, ellesnécessitent l'utilisation sur la motrice du train, d'un émetteurhyperfréquencepuissant (10watts, 915MHz).Misàpart leproblèmed'homologationUIT*,lerisquededia- phonie entre balises voisines est certain. Elles sont chèreset ne permettent pas toujoursune localisation précise ; - D'autres au contraire sont munies d'une pile type Lithium. Leur emploi sur réseau national SNCF paraît inconcevable ;il nécessiterait une organisation très impressionnante de remplacement des piles. Pour satisfaireles besoins en matière de capteursde déplacement et de transmissionponctuelle, nous avons développé5systèmesde localisation qui se caractérisentpar le fait qu'ils utilisent deux fréquences d'émission, une haute (HF) et une moyenne (MF) ;il tirent ainsi partie des avantagesliés aux propriétés de chacune des fréquences et permettent une détection de la position du mobile sans ambiguïtépossible 1-Un systèmeu@sant desbalises de recalage délivrant un simpletopde localisation(trésprécis).Nous avons qualifiéces premières balises de *balisesanalogiques». La MF d'émission est de 4 MHz (ou 150KHz). La fréquence HF est de 1GHz. Le récepteur est à démodulation synchrone d'amplitude. 2-Un systèmeutilisant desbalises à modulation numérique 150Kb/s (ou 1Mb/s). Emission MF: 150KHz (ou 1MHz). Réception synchronesur'deuxvoie; en quadrature. 3-Un système à balisesnumériques 150Kb/s (ou 1Mb/s) utilisantdesantennesà polarisations croiséeset un modulateur actif. Réception synchrone. 4- Unsystème à balises numériques qui intègrent un oscillateur 50 MHz ou 820 MHz. Réception hétérodyne. 5-Un système utilisant desbalises numériques à impulsions. Récepteur50 MHzhétérodyne. Toutescesbalisessontpassives.Leur alimentationestréaliséepar inductionàpartir du champmagnétiqueproduit par le cadre MF embarqué sur la motrice du train. * UIT: Union Internationale de Télécommunications. 6
  13. 13. ' INTRODUCTION GENERALE Signalonsque le domaine d'applicationdessystèmesénumérésest relativement vaste et n'est pas limité qu'au domaine ferroviaire. Le systèmenOla fait l'objet d'un brevet d'invention[l]. il est partiellementdécritdansles publications [2],[3],[4],[5],[6].Mohamed HAMZAOUI a étudiéen détail Poptimisationdescadresd'émission etderéceptionMoyenneFréquenceet aparticipédirectementauxtravauxdécrits dans ce mémoire. MATRA TRANSPORTS, C. SEMET'P. LECOCQ, A. WOESTELAND,se sont principalement préoccupés d'une variante du système No2 qui est plus particulièrement destinéeaux applicationsmétros. Il ne sera pas décrit ici. Lessystèmes 1-2-3-5secaractérisentpar lefait qu'ils utilisent 2fréquencesd'émission. Ilsonttous été réalisés. Le système4, qui a été également réalisé, est basé sur des principes différents. Danslecadredecetravail,nousavonsattribuéuneimportanceparticulièreàlaconceptiondel'architecturedes systèmes :l'objectif finalétant de proposer une structure "multifonctionnelle", c'est-à-dire que le même dispositif embarqué soit compatible avec plusieurs fonctions ; ceci entraînant une augmentation notable de la souplesse d'utilisation et une diminution du coût d'exploitation. Par exemple: -localisationponctuelierelative :"recalage" des instruments de bord, -localisationabsolue :par exemple, identificationd'un point kilométrique (transmission numérique sol/véhicule), - estimation du sens de marche du véhicule. D'un autrecôté,instdées en extérieur,lesbalises sontsoumises àun environnement très agressif :contraintes d'ordreclimatiquepar exemple,l'eau, laneige, laglace,sansoublierles déchargesélectrostatiquesd'origineorageuse bien connues pour leur pouvoir destructeur. Le système doit accepter ces contraintestrès sévères. En dehorsde l'aspect technologique,la faisabilitédu systèmeestliéeà desconsidérationsd'ordreindustrielde coOtdedéveloppement et de coût defabricationen série. Dans lecadreASTREE et en ce quiconcernela fonction de "recalage" par exemple(70000km devoie à raison d'unebalise tous les kilomètres),ilapparaîtévidentque leprix de revient d'une balise constituepresque à lui seulle facteur déterminantdu succès du système.Pour fixer les idées, les balises proposées pour le système Nol,spécifiques au recalage, permettent une précision de position de l'ordre du centimètreet leur coût est à peine supérieur au prix d'un tire-fond fixant le r d sur sa traverse ! Nousverrons que cet avantageoffreune multitude de possibilitésintéressantes, en particulier pour le systèmeNolun codage par successionde balises discriminables entre elles :codage en base 53, ...n ! Surleplan matériel,l'abaissementduprixderevient n'est possiblequesionélaborecertainsélémentséquipant le dispositif de localisation à partir de composants d'usage très courant. Une partie de l'étude est consacrée à ce problème majeur. On montrera que dans certains cas particuliers, l'emploi des composants hyperfréquences commerciauxapparaîtici, commeun luxeinutile:c'est lecasdesmélangeurs(entreautres).En effet,lesperformances obtenues à partir des structures proposées sont même meilleures que celles obtenues à partir des composants industriels pour la simple raison que les structuresproposées sont adaptéesspécifiquement à l'application qui nous préoccupe. Maiscetravailne peut êtreconduitqu'au prixd'une analysethéoriquepréalable quipermet d'expliqueren partielesrésultatsexpérimentauxd'unepart,etfourniedesestimationslimitesdesrésultatspratiquesàobtenird'autre part. Une analysethéorique ainsi qu'une caractérisation des composantss'avère nécessairepour résoudre le délicat problème qu'est l'optimisation. D'un point devue pratique, nous nous sommesefforcéstout le long del'étude de simuler les conditionsréelles d'utilisation. A cet effet, nous considérons :des vitesses supérieures à 100 km/h, des débattements de caisse du véhicule,laprésencedusol,l'absorptiondel'onde électromagnétiquedueàunrecouvrementdelabaliseparunecouche d'eau, etc. Cesont toutes cescontraintesquiexpliquentpourquoinous avonsété conduità étudiersuccessivement3types de systèmesdifférents,notamment à cause de l'atténuationde l'onde HF provoquée par l'eau.
  14. 14. Notre travail ne constitue qu'une partie du processus d'industrialisation de tel ou tel système. En effet, les systèmesproposésdoivent être soumisà un examenattentif en matièredesécuritéintrinsèqueet de fonctionnement. Les systèmes 1et 2 sont actuellement en phase d'essais sur site réel d'utilisation: métros et lignes SNCFPARIS- ROUEN. Le problème étant posé, nous nous limiteronsdansle cadre de la présente étude auxfonctions:de localisation du véhicule par simple top (système l), de la localisation absolue par la transmission au mobile d'un message numérique, et de la détermination du sens de marche. Dans ce quisuit, nous supposonscertainssujetsconnus. Seulslesrappels théoriquesindispensablesà la bonne compréhensionde l'exposé et quelquesméthodes de mesure utiles pour la poursuite ultérieure des travaux y seront mentionnés. La résolutiond'un problèmeparticuliernécessiterabien sûr le recoursauxarticleset ouvragesspécialiséscités en référence. Pour ne pas alourdir l'exposé, certainspoints théoriques et détailsde fabricationseront renvoyés en annexe. Pour présenter les résultatsde nos travaux, nous avons divisé le manuscrit de la manière suivante : Dans le ler chapitre,nous situonsle problème posé par la localisation en généralen considérant tout d'abord les contraintes de tous ordres auxquelies est soumis le système. Puis nous énumérons les différentes fonctions susceptibles d'être intégrées à l'intérieur d'un concept de localisation unique. Puis dans une seconde partie, nous abordons la conception générale d'ensemble en essayant de répondre au mieux aux impératifs de fonctionnement mentionnés dans la lère partie. Nous présentons brièvement le principe des différents systèmes. Pour souligner i'originalité des structuresretenues, nous donnonsd'emblée les résultatsexpérimentaux les plus significatifsobtenus avec le système 1. A l'issue de ces considérations, nous présentons les points particuliers qui méritent d'être approfondi. Nos lecteurs seront ainsi aiguiliésvers les chapitres appropriés. Les chapitres II et III traitent respectivement de la fonction mélange (mélangeurs) et de la propagation électromagnétique(antennes). En effet,nous avonsvu que le problème lié au choixdescomposantset l'optimisation des sous-ensemblessystème se pose de façon particulièrement aigüe. On y trouvera par exemple, une étude sur i'atténuation des ondes EM consécutiveà la traversée d'une couche d'eau. Pour des raisons de clartédans les explicationsdes systèmes,nous consacrons un 4ème chapitre au systèmele plus simple Nol.Nous proposons des structures d'éléments annexes mais qui contribuent également à la faisabilité industrielle du dispositif :les sources hyperfréquences(HF) et moyennes fréquences (MF). Après un bref rappel sur le traitement du signal dans les différentsprocédés de modulation envisagés, nous décrivons dans le 5ème chapitre les systèmes numériques 2, 3, 4, 5. Nous montrons les balises et les récepteurs correspondants. Nous examinons le module commun d'acquisition des informations qui est réalisé à partir de 2 microconhleursimplantés dans une architecturemulti-ordinateurs.
  15. 15. 1 des capteurs de position sur les possibilités d'applications offertespar le système. On verra en effet que la notion de localisationrelative (balisesde recaiage) peut s'étendre à la fonctionde codage,fondamentale pour les systèmes de transport à pilotage entièrement automatisé tel que le VAL. Dans ce dernier cas, le sol peut délivrer au véhiculeles informationssuivantes : 1 -la localisation absolue du mobile :point kilométrique,entrée de canton, position à tout instant, etc ; - un ordre :par exemple un ordre de ralentissement avant l'engagement du mobile dans une courbe ; - évaluation de la vitesse instantanée du véhicule ; - indication du sens de marche du véhicule (utile pour les voies uniques). PRESENTATION GENERALE ousavonsabordéenintroductionlesconséquencesdirectesrésultantdutrèsfaibleprixderevient D'une manière générale,l'information transmisepeut apporter,soitseulementune assistanceàl'agent decon- duite, soit servir à contrôler et commander la conduite du véhicule (automatismeintégral). Oncomprendbien àprésentl'importanceaccordéeausol,d'oùl'intérêtprésentépar lesdispositifsdetransmissionsol- véhicule. . Pour évaluerlespossibilitésd'intégrationdesdispositifsproposésdanslesdifférentssystèmesdetransport,nous commençons par décrire brièvement le concept de localisation dans toute sa généralité et abordons son aspect fonctionnel. Nousnousproposons ensuitedemieuxsituerle problème, en considérantcettefoisl'ensemble descontraintes, environnement,fonctionnalité,fabrication,coût sansomettre les contraintesd'ordre législatif. Enfui, après toutes ces considérationsquidéboucherontsur lesobjectifsà atteindre, nous abordonsla concep- tion générale du systèmenOlproprement dit et présenterons d'embléeses principales caractéristiques.Ces résultats peuvent êtreétendusausystèmenumériqueno2quenousexpliquonsaprès.Lesprincipesdécritsàpropos du système nOlserviront à expliciter les systèmes numériques n3. Nous exposons ensuite le principe de fonctionnement des systèmesn04,n05.Précisonsque les dispositifs1et 2sont abordésici de manière très schématiqueet progressive. Les problèmes rencontréssont ainsimis en évidence. Enfin, en fonction des considérations énoncées, nous énumérons les problèmes particuliers à résoudre et donnonsl'organisation du reste du manuscrit. LALOCALISATION On peut distinguerdeux types de locaiisation : - la localisation en continu, - la localisation ponctuelle ou intermittente. a) Les systèmesde localisationen continu(relativementcoûteux),où l'informationest continuellement transmisede lavoie auvéhicule, conviennentpour desréseauxrelativementcourtsou pour destronçons de réseaux particuliers :cheminsde fer souterrains, voies en bordure de quais, etc. C'est le cas par ex- emple du guide d'onde rayonnant [l-11. D'autres systèmes connus tels que le cinémomètreDoppler, roue phonique, permettent égale- ment une localisation absolue (indirectement). b) Systèmesde localisation ponctuelie Ils sontessentiellementde deuxtypeset du point devue fonctionnel, ilspeuvent être classésdela façon suivante :
  16. 16. déplacement d u v é h i c u l e Contenu du registre embarqué 1 Horloge I Pseudo periode b2=1= 7 Fig. 1.d .Exemple de codage de localisation par séquence pseudo aléatoire : N = 3 , 7, séquence de registre à al- / décalage 1 bit émis comparaison bit à bit entre le contenu du registre embarqué et celui du génératey sortie FIG. 1.2 .Générateur pseudo-aléatoire équivalent a la voie
  17. 17. PAR UNE SEULE BAUSE NUMERiQUE îi?ANSERT D'INPORMA'I~ONSCODEES NUMERlQUES PAR PROCEDE DE MODULAîïON PERMETENTRE AUTRES LA LOCAUSATION / (existent dans le commerce système ABSDWE DU M1IW Ericssonpar ex) ou SISTEMES2. 3. 4. 5 a 6 DE TRANSMISSION 2. I - . PAR UNE OU PUlSlEURS BAUSES <1BAUSE -->LOCAUSATION RELARVE DISCRIMINABrn ami aues : BAUSES"O". "1" aYEME Il II II II Il Il II II 0 . 1 , 2 . 3 ...."N" PUlSlEURS BAUSES --> lDCAUSA'IlON AüSOiüE !If RFlA'llVeS (srsraie ~ ' 1 ) --> DANS CERTAINS CAS PARTlCUiiERS LûCAUSATION EN CONîïNU Illustrons le cas 2 par des exemples (figure 1-1).Supposonsqu'il existe deux types de balises : balises"1"et balises"O" (binaire).Installonsle longdelavoie une suitede 1et deO. A bord duvéhicule, on est capable d'enregistrer cette suite d e l " et de "O7' dans l'ordre où ceux-ci ont été implantéssur la voie. On voit qu'il est possible de coder un message sous une forme numérique classique. Précisons que par rapport à la longueur des véhicules, une localisation obtenue à partir d'une succession de balises distantes de quelques mètres peut être considérée comme continue. Nous nousproposonsdedécrireun mode delocalisationoriginal,basésurlespropriétés cornues des séquences numériques cycliques pseudo-aléatoires. L'application de ce procédé de codage aux transportsguidés fut imaginéepar Roger LEHMANN en 1971[l-41. Allons plus loin et faisonspasser cette suite de 1et de O dans un registre embarquéà décalageà N étages (figure1-1).Chaque nouveau bit lu rentre dans l'étage d'entrée du registre, et le contenu du registreest décaléd'uncran. Le contenu du dernier étage disparait.Ondispose ainsien permanence, à bord, d'un mot de n bits correspondanta u N derniersbits lus sur la voie. Si l'on choisit une séquence couvrantla voie telle que lesmots deN bits vus àbord du train soient tous différentslesuns des autres, à chaque instant le mot dont on dispose caractérisesans ambiguïté une position et une seule. Cette séquence binaire n'est bien sûr pas quelconque, mais correspond en fait à la sortie d'un générateur demots cycliquespseudo-aléatoires de degrén dont la théorie estbien connue[l-21[l-31.Si on se réfère augénérateur de la figure 1-2(n = 3), on en déduit la séquence de sortie. Là aussi, chaque impulsiond'horlogecorrespondàunmot unique.Paranalogieaveccetexemplesimple,ilsuffitdedonner lamêmeconfigurationauxbalisesdevoiequeceîledumot desortiedugénérateur;lavoievueduvéhicule qui se déplacejoue par conséquent le rôle du générateur. Onconçoitbien quesila séquenceest connuepar ledispositif embarqué,lemot contenudansson registrecaractériseàtout instantla position dumobile.Deplus, sil'interrogateur est capabledegénérer un "top" précis deposition (équivalentà l'impulsion d'horloge pour le générateur),il peut "recaler" les autresinstrumentsde localisation (cinémomètre...). Il s'agit donc d'une localisationà la fois absolue et relative. Ce principe de localisation apparaît particulièrement intéressant pour les systèmes de type ASTREE :approximativement une balise tous les kilomètres.
  18. 18. ordre de ordre de ralentissement freinage passage en vitesse normale O O O 4 o n O 0 .......................... > sens de marche Fig 1.3Exemple de transmissionsol - véhicule. codage par différentiation de balises. Dans l'exemple VAL, 4 messagessuffisent. ordre d'accéleration 0. no 01 tl'
  19. 19. En utilisation réelle,le degré n est évidemmentsupérieurà celuide l'exemple :il est fonction de 1la longueur de la voie considérée,de la distance entre balises et de la résolution souhaitée. Signalonsque la localisation obtenue à partir du guide d'onde rayonnantmentionné précédem- ment repose sur ce principe. Envisageons à présent le cas de la transmission ponctuelle ou plus précisément la transmission d'uneséquenced'élémentsd'information, élaboréeàpartir delamiseensérie,disonstousles30cm,d'un groupedekbalises"différenciables". Notons quesicettefoislesystèmeestcapabledediscriminernétats distinctsde balises (base n), il est alorspossibledecoder plus "efficacement" un message qu'en binaire. Par exemple,dans une base 5 on peut coder : - avec5 balises consécutives:55 soit 3125 messagesdifférents; ou si on ne s'intéresse qu'aux combinaisons: 1 - avec2 balises consécutivesprises parmi 5 :Cs = 10messages differents. Onvoit quedanscesconditions,untelprocédédecodagepermettraitpar exemple,latransmission du programmedevitesseà un véhicule à conduiteautomatique (VAL) :pour illustrer ce propos, citons par exemple, la transmission du programme d'accélération au véhicule aprds franchissement d'une courbe (figure 1-3). Autre fonction : A l'inverse, (balises sur le mobile et interrogateur de balises f ~ e ) ,le système devient alors un identificateur utilisable pour les convoyeurs, le triage des véhicules, etc. Pour en terminer avec l'aspect fonctionnel, on remarquel'étendue du domaine des applications possiblesoffertepar untelsystème.Lalistedesexemplesprécitésn'étant assurémentpas limitative,nous laissonslibre imagination au lecteur pour la compléter. 1 On peut !es classer de la manière suivante (&te non exhaustive) : 1-Suretéd'utilisation, 2- Simplicité: - peu de composants ( d'ou une fiabilitéaccrue). - pas de réglage, - moins cher, 3- Fiabilité, 4- Précision, l 5-Dimensions de balise "raisonnables" (objectif 20 x 20 cm), 1 6- Pas de diaphonieentrebalises adjacentes, i 7- Vitesses supérieuresà 400 km/h (TGV) ; 1-Contraintes du milieu naturel --> - climatiques :eau, neige, glace,variation de température,orage, feuilles,herbes... 2- Milieu ambiant autre que naturel (contraintes ferroviaire)--> -nature du revêtement de voie,
  20. 20. -poussières - huiles, - présence d'objetsmétalliques, -perturbations électromagnétiques:interférences radio, moteurs de traction et dispositifs de commande (ponts thyristors...), -Contraintesmécaniques -vibrations :emploide composantslégers, débattementsde caissedu véhicule, -Actes de vandalisme... C FABRICATION. 1-Coût, 2- Simplicité, 3- Reproductivitéen grande série ; - Respect du spectre radio-électrique (allocationdes fréquences de travail) --> utilisationdelabandeISM*etpuissancesd'émission faible( < 50mWlepluscommunément, maisquipeuvent êtresupérieurespour desapplicationsparticulières;danstous lescas àd é f i avecles servicesde gestion du spectre radioélectrique). E COUT. - Contraintestrès importantespour toutes les raisons indiquéesprécédemment. Lescontraintessontiatrèssévères,plusparti&rement lesimpératifsdefondionnementetles contraintesliéaà l'environnement. Nousnedétaillonspasicichacundespointssoulevés;aprèsprésentationdessystèmes,nousreviendrons sur ce sujet en donnant le projet de cahier des chargesSNCF. Pour faciliter la compréhension du fonctionnement du dispositif proposé, nous présentons préalablement le principe du système tel qu'il fut construit au début de l'étude. Le véhicule évolue sur une voie équipée de balises passives, c'est-à-dire démunies de source d'énergie interne telie que batterie, pile solaire, etc. Le support d'informations retenu est le rayonnement électromagnétique. / Le dispositiîcomporte deux sous-ensembles(figure 1-4) : -uninterrogateurembarquéquiestcomposédedeuxunitésd'émission, d'uneunitéderéceptionetd'une unité de traitement, - un ensemble de balises disposéesle long du parcours.
  21. 21. BALISE Autre balise fig.1.4 . Synoptique du système initial. Amplitudes Gabarit du fig.1.5 . Spectre de fréquence associé au dispositif de la figure 1.4. fi b récepteur sélectif L - il/l I C l I I I I I 1 I I I I I I I -
  22. 22. -PRESENTATION GENERALE Les balises sont lues au vol par l'interrogateur selon le principe suivant : 1 - del'énergie sousforme électromagnétiqueest transmiseà la balise par les deuxunitésd'émission dont l lesantennesA et Bsontdirigéesen permanenceverslavoie. Lesdeuxondessont émisessimultanément et en permanence à la fréquenceF,, = lGHz et FM, = 4MHz*respectivement. -Le principalcomposant de la balise est le module mélangeurconstituéd'un ou plusieursélémentsnon ~linéaires (qualitéindispensable). I Comme son nom l'indique, ce module a pour fonction de mélanger les deux signauxélectriques captés par les antennesCet D accordéesrespectivement s u FM,et F,, .Le résultat del'opération de mélange , se traduit par la génération de deux battements d'ondes de fréquence F,, - FM, = 996MHz F,, + FM,= 1004MHz respectivement. FM,étant très inférieure à F,, ,ces deuxbattements sont réémis par l'antenne D (accordée sur F,, ) à la condition toutefois que cette dernière possède une bande passante suffisante. Ce phénomène bien connu se nomme aussi changement de fréquence.Au niveau de la balise, le signaiMF est appelé "signai d'oscillation locale" (OL) ou "signai de pompage". 1 La figure 1-5représente le spectre de fréquence associé au dispositif de la figure 1-4. 'I l En résumé, c'est i'élément non linéaire qui assure le changement de fréquence et qui délivre le signal hyperfréquence porteur de l'information. l-L'unité deréceptionestunrécepteurtrèssélectif,accordésoitsurlebattement supérieur (1004MHz), ~ soit sur le battement inférieur (996 MHz). :- La sortie du récepteur est connectée à l'unité de traitement qui traduit la présence d'une balise sous l'interrogateur. 1-La détectiondesbattementsne peut se faire qu7-ent lorsdu passage de l'interrogateur 1 au-dessusd'unebalise.Laprobabilitédefa- àdesobjetsmétalliquestraînant surlavoie, 1l étant nulle, la détection d'une balise s'effectue donc sans ambiguïté. I i Cettepremière particularitédifférencienotre systèmedessystèmescommerciauxet lerend à prioriplus 1 "sécuritaire". En effet, certaines balises cornmerciaies produisent l'harmonique 2 qui peut aussi se manifesterd'une manière "assez naturelle" (saturation des émetteurs par exemple) d'où les risques de détection erronée. 2-Une deuxièmeparticularitédu dispositifproposérésidedanslefaitquelatransmissiondusignai de pompage (4 MHz) à la baiiie résulte d'un couplage magnétique mutuel entre l'antenne cadre d'émissionet l'antenne cadredebalise. Etant donnéla longueurd'onde (75m), la transmissionde la MF s'effectue en champ proche (ou champ d'induction) :c'est l'effet "transformateur". On verra que cette propriété confèreauxsystèmes1,23,4,5,6, lasélectivit6spatiale indispensable àson bon fonctionnement.
  23. 23. PRESENTATION GENERALE Eneffet,silabalisesesituedansune zoneoùl'induction magnétiqueestinsuffisante,le mélangeurbalise est alorsprivé de son signalde pompage, la réémission passive des battements est alors impossible.La décroissancedela puissancedu champd'inductionenfonction dela distanceétant trèsrapide (en l/f), cette "astuce" permet donc de résoudre les problèmes de diaphonie entre balises adjacentes. Du point de vue pratique, le récepteur sélectif utilisé lors des premiersessais était un mesureur de champ (TELEC MCP 40).Il s'agit d'une réception classique de type hétérodyne. Outre le coût prohibitif de l'unité de réception, on conçoit bien qu'une très légère dérive des fréquencesd'émission (1GHzou4MHz)apour effetdedécalerd'autantlesbattements:ilssortentalors de la bande d'accord du récepteur (très étroite). D'un autre côté, par un procédé approprié implanté sur la balise (ne nécessitant pas de source d'énergieinterne),lesessaisen laboratoireont montré qu'il est possible de transmettreuneinformation numérique au véhicule (Modulation d'amplitude tout ou rien). Malheureusement, dans le cas de la réception hétérodyne, les étagesd'entrée du récepteur (de l'interrogateur) sont saturéspar les ondes 1 GHzprovenant directementdel'antenne émettrice.Eneffet,l'amplitude decechampparasitepeut dans certains cas être trés supérieur à celle du champ réémis par la balise. Devant le manque de fiabilité évident d'une part et le coût trop élevé du récepteur d'autre part, pour répondre auxobjectifsde sécurité et de fiabilitédetransmission,nous avonsretenu une technique de réception connuepour ses propriétés : - de filtrage fréquentiel, - d'extraction d'un signalnoyé dans le bruit. C'est la d b w d & h synchrone appeléeaussicohérenteou homodyne. Le principe est simple ;en remarquant que l'on dispose à bord du véhicule de la fréquence HF d'émission (forcément), il suffit de démoduler l'information réémise par la balise de fréquence FH, IFM,par mélange avec FH,. Il en résulte une nouvelle transpositionde fréquence.
  24. 24. Source hyper 1 1 lqGH=+-.; Sources moyennes frequences T r a i t e m e n t l o c a l i s a t i o n Soectre 4 ~"."..'.'dsens de m a r c h e T r a t e m e n t v i t e s s e Antennes ALISES fig.1.6 . Architecture du système de localisation retenue.
  25. 25. PRESENTATION GENERALE Ce nouveau procédé confère au systèmed'autres propriétés très intéressantes : -insensibilité aux fluctuations de l'hyperfréquence, - traitement du signaldémoduléplus aisé (4 MHz :techniquevidéofréquence classique). I nous verrons qu'une structure judicieuse du sous-ensembleinterrogateur permettra de surcroît 1 une diminution très notable du coût et ne nécessitera aucun réglage. ~l Nous résumons les principauxobjectifs : -respecter au mieux les contraintes citées précédemment, - possibilité de codage, par groupe de balises de recalage, en base n, -possibilitéd'une évolutionultérieureversl'utilisation debalisesnumériquesàmodulationsperforman- tes (par saut de phase 0-180°, haut débit numérique), -architecture"multifonctionnelle" (réalisationdu dispositifinterrogateur àpartir d'un concept unique) permettant à la fois l'utilisation de balises numériques, de balises de recalage, de séquences codées à partir d'un groupedebalisesderecalage.Celadanslebut deréaliserlesfonctionsde localisationrelative et de localisation absolue par les méthodes indiquéesprécédemmment, -précision de localisation:+. 5cm en fonctionnel, I30 cm en mode sécurité (séparabilité spatiale des balises pour réduire les problèmes de diaphonie), -insensibilitéauxvariations de distanceinterrogateur-balise:20cm 5 10cm dansle sensvertical, + 10 cm dans le sens transversal à la voie, -compatibilitéélectromagnétique(normesUIT :puissancesd'émissionfaibleset fréquencesde travail 1 appropriées), 1 - en ce qui concerne les balises :respecter les contraintes précédentes et essayer de faire face à leur ,éventuelle destructioncausée par la proximité d'éclairs orageux (fonctionnement en campagne). Nous nous proposons d'examiner l'architecture du système retenu. Elle est représentée sur la figure 1-6. 1 A- Emission des signaux HF et MF par l'interrogateur 1-L'onde hyperfréquence est générée par la source synthétisée S,, .Après passage dans le circulateur,l'onde HFest transmise à l'antenne h,à la conditionbien entendu que tous les éléments de la chaîne de transmission soient parfaitement adaptés. L'antenne hlrayonne en permanence un champ électromagnétiquemonochromatiquedans la direction du sol et en particulier vers la balise de localisation (spectre 1).
  26. 26. 2- L'énergie MF est fourniepar la (ou les) source (s) MFde fréquenceFO (ou FI, F2, ...Fn). Les composantes "d'induction" du (ou des) champ (s) électromagnétique (s) sont produites par le cadre d'émission Be, leur amplitude respective n'étant significative qu'au voisinage immédiat de ce dernier, disons 50 cm. Notons la possibilité d'émettre simultanémentn fréquencesdistinctes FO,FI,...Fn . B- Réception par la balise des ondes émises par l'interrogateur et réémissionpassive En fonctionnementnormald'utilisation, labaiise estsituéeàenviron20 cmen-dessousduplan de l'interrogateur. Le principe de la réémission passive a été expliqué précédemment. Remarquons simplement qu'au niveau de la balise, le signalde pompage qui alimentele mélangeur est prélevé auxbornes d'un circuit résonnant accordé exclusivementsur l'une des moyennes fréquencesFO, F1...Fn d'émission. Suivantl'accord de labalise qui se trouve en-dessous de l'interrogateur (Fi = FI dans l'exemple choisi), cette dernière réémet les battements FH, + Fi en direction de l'antenne %,(spectre 2). 1C- Réception et démodulationau niveau de l'interrogateur Les ondes de retour sont captées par la même antenne %,et sont transmises au démodulateur particulier Dmod (spectre 3). Il s'agit en fait d'un double démodulateur synchrome qui permet entre autresde s'affranchir des effets dûs auxvariationsde hauteur h (débattements de caissedu mobile). En effet si on utilise in seul mélangeur de réception, on remarque une annulation du signal puis une inversionpour les distancesh modulo Â/4, c-a-d tousles7,5 cm à 1GHz.Ceciest du au principemême de la démodulationsynchrone;cet effet sera examinéen détail au chapitre 4. Conformémentauxexplicationsdu paragraphe précédent, la détection del'information envoyée par labaliserésulted'un nouveaumélangede FHF+Fi avecF,, ,produitparlesmélangeursderéception M l et M2. L'entrée OL (pompage)de chaquemélangeur est connectéeàla même sourceHFd'émissionau moyen d'un coupleur Chf . Après démodulation( 2 FI), l'élévation au carré des signaux donne les signauxde fréquence double (I2 Fi) (spectre 4). On retiendra plus particulièrement : A- sur1; planprincipede fonctionnement 1-Une dérive de fréquence AFH, de la source hyper (F,, = porteuse de l'information) a pour effet la translation de l'ensemble du spectre de réémission d'une même quantité AF,,. Par voie de conséquence,cet effet n'altère en rien le signaldémoduléau niveaudu récepteur embarqué puisque par construction la fréquence d'OL est identique à celle de la source. Outre les avantagesliés à la démodulationsynchrone proprement dite, la structure proposée ne nécessite pas de réglage (ou asservissement) de la fréquence HF de travail ;ce qui n'est pas le cas en réception hétérodyne. Toutefois,cettemêmeremarque nes'applique pasaucasdelaMFoùlafréquenced'émissiondoit correspondrebien évidemmentàlafréquenced'accord delabalise. Le problèmepeut êtrepartiellement résolu par l'emploi de sourcesMF pilotées par un "étage à quartz".
  27. 27. 1 Ligne d'alimentation A n t e ~ efente HF I J Mélangeur cadre HF Plan réflecteur fig.1.8 . Balise "fente" FIG.1-7 .Exemple de codage d'un mot avec n états.
  28. 28. PRESENTATION GENERALE= 2- D'un autre côté, les mesures montrent que les composantes spectrales des perturbations produitespar exemplepar l'orage ou par lesmoteursde tractionduvéhicule, ne s'étendent pas (defaçon significative)jusqu'à 1GHz(ellessont c 20 MHz .cf [l-5] 11-61).Le systèmeprésente doncune bonne insensibilité auxbruits "normaux" d'origine externe. 3- La simplicitéde la structure diminuele coût et l'encombrement du système. B- Surle plan fonctiomel A- Balise "fente"d'essai Cettebalise a servi pour qualifier la transmissionnumérique sur le siteSNCFPARIS-ROUEN. Nous la nommerons dans la suite"balise fente" ou "balise de base". Elle est représentéesur la figure 1.8. Elle est réalisée à partir d'un support verre époxy d'usage courant. 1-On entrevoit mieux à présent le processus de codage en base n. En effet, la fréquence de ,l'informationdémoduléecorrespondexclusivementà la fréquenced'accordpropre delabalise considé- 1 rée. Par desfiltrespasse-bande centrésrespectivementsurchacunedesMF(FO,FI, ...Fn),ilestdoncpossible de décoder un message série délivré par un "chapelet" de balises de voie (figure 1-7). 2- La détermination du sens de marche du véhicule est possible si on installe dans un ordre préétabli deux balises consécutivesdifférentes (ou même trois). 3-Il en est de même pour l'évaluation de la vitesse instantanéedu véhicule:comptagedu temps écoulé entre deux "tops" de localisation. 4- La fonction "recalage" doit par définition assurer une bonne précision de localisation. Le systèmetel qu'il a été décritjusqu'à présent ne permet d'obtenir qu'une précision d'environ 30 cm. Nous verrons ci-dessous,comment réaliser une précision de 2 1cm sansmodifier la structurede base 1du système. I5- Remarquonsque le rôle du "transformateur" constitué par le cadre d'émission (primaire) et 1 le circuit accordédebalise (secondaire)peut ne pas êtreconsacréexclusivementàl'alimentation OL du ~ mélangeurbalise .Eneffetdanslesconditionsnormalesd'utilisation (1primaire = 200mA ;h = 20cm), la tension induite aux bornes du circuit résonnant de balise est d'environ 10Volts (50 mW). Par un i dispositif appropriésimpleimplantésurla balise, ilest alors possibled'alimenter descircuitsintégrésde type CMOS ou TïL (mémoire morte, circuitde télécommunication). Ces circuitspeuvent par exemple moduler l'informationréémise par la balise. Cettedernièredevient alorsune balise numérique capable de transmettre des messages codés (c' est le cas des systèmes décrits après). 6-Lasélectivitéfréquentielledesbalisespermettraitd'envisager une organisationdu transfertdes informationsdu type multi-canaux : 1 Par exemple :transmission de la localisation sur le canal FO transmission des ordres sur le canal FI l 7- Dans le casd'utilisation de balisesnumériques, la SNCFa imaginé un processuspermettant de déterminer la non détection accidentelled'une balise en effectuant un chaînage des identif~cateurs 1 propres à chacune des balises ( par ex. , les balises sont installées de telle manière que chaque identificateur (numéro) suive une suite arithmétique croissante).
  29. 29. Antenne HF Bobine B1 256mm Mélangeur Fig. 1.9 - Balise patch différentielledu système nOl( top de position ). l cadre émetteur4MHz cadre différentiel fig.l.10 . Principe de fonctionnement de la bolise différentielle. Courant de t Io= Bobine MF B2 fig.l.1 1 . Evolution de la tension de pompage (OL) en fonction .du déplacement relatif interrogateur-balise.
  30. 30. Elle est composée : -d'une antenne "fente" classique (HF), -d'un cadre MF imprimé, - d'un mélangeur constitué par une diodeSCHOTTKY d'usage courant et par ses lignes microrubans d'alimentation, - d'élémentsd'adaptation, - d'un plan réflecteur. La balise se caractérise par sa simplicité et son faible coût, mais ne permet pas une localisation précise (avecle cadre d'émissiondu système décrit précédemment).Son fonctionnementest optimisé. Elie sera examinée en détail au chapitre 4. 1B- Balise ''patch" diff6rentielle-de haute précision Sa présentation est donnée sur la figure1.9. Cette fois, l'antenne utilisée est du type "patch" rectangulaire et ne nécessite pas de plan réflecteur. Précisonsque le rendement de l'antenne ainsi réalisée est médiocre (pertes dans le diélectrique époxy). Toutefois, pour des raisons de faible poids et de faible encombrement,la balise ainsi réalisée convientbienpour les essaisàhautevitesseeffectuéssur un bancdetest delaboratoire.Onverraqu'elle donne malgré tout de bons résultats. Elie comporte les mêmes élémentsque ceux de la balise "fente", mais se distinguepar la forme particulière du cadre MF. C'est la configuration "différentielle" de ce dernier quipermet d'une part la localisation très précise du véhicule, et d'autre part, une résistance accrue vis à vis des perturbations électromagnétiques,voire même très intensestelies quecellesproduitespar un éclair d'orage.Précisons ce propos. Sur le plan pratique et dans les conditionsnormalesd'utilisation (h = 20 cm), il est prouvé que l'usage d'une antennehyperfréquence, aussidirectivesoit-elle,ne permet pas la localisationtrésprécise du mobile pour la raison suivante: - interférencesconstructives et destructivesdues d'une part à la longueur d'onde relativement faible (30 cm à 1GHz) et d'autrepart à la présence d'objetsparasitesproches (rail,vis, cailloux...). Il en résulte des déformationsimportantes du diagramme de rayonnement. Aussi avons-nousdéveloppéune structure MF différentielle.L'idée est simple : "Transposerl'effet différentielMFvers les hautes fréquences". En effet, la réémission desbattementspar la balise nécessitela présence simultanée dessignaux d'OL (MF) et HF aux entréesdu mélangeur balise.La suppressiondu signal d'OL à l'instant précis ou l'interrogateur passe sur l'axe de symétrie de la balise ,est ici obtenue par la mise en parallèle de deux inductancesbobinées en sens inverse et accordées par une capacité unique Cl (figure 1.10). On conçoit bien que lorsquele dispositif différentielMF se trouve centréet normal à l'axe de la bobined'émission,lesfluxmagnétiquesquitraversentlesbobinesréceptricessontégaux,par conséquent les fem induites sont égales en amplitude mais de phases opposées. Les bobines secondaires étant connectéesen parallèle, il en résulte une tension MFn d e auxbornes du mélangeurqui se trouve donc dans l'impossibilité de produire desbattements. L'évolution de la tension de pompage (OL) en fonction du déplacement relatif interrogateur- balise est schématisée sur la figure 1.11.Pour x = - 10cm par exemple, la tension OL n'est pas nulle puisquelabobine deréceptionB2est plusprès dela bobine d'émissionqueB1(inductancemutuelleplus élevée) :les battementssont réémis.
  31. 31. l Balise différentielle H-26CM ~ ~ l r m f g l ( ~ s - 5 t t i l l i sec f d i v kWLItUDE = i v o l t / d i v VItESIih DE DEPLCICEHENTn 117 Knth . i Fig.l.î2-S ide sortiedusyst&e nO1:top de 1-
  32. 32. ' z ~ r (0 1 <- ,,1,, as!loq aun'p snssap-no no ZHW P <- ,,O,, as!loq aun,p snssap-no assod alna!q?~al !s J ~ S ! D ? J ~ap $uol$auilad ~!$!sOds!pnp a!$JOS ap xnoub!ç - L ' L ' ~ ! )
  33. 33. /L'inversion de phase a lieu très précisément à x = 0. La description du phénomène est ici purement qualitative et ce sont plutôt des considérations d'ordre pratique qui ont conduit aux choix des bobines. De toute manière, le problème est ici partiellement résolu étant donné la faible place disponible sur la balise. Toutefois, dans le but de réduire les dimensions des balises et dans l'éventualité de l'usage d'un cadredifférentielàl'émission, cequipermettraitauniveaude labalise,l'implantation d'un cadresimple, l'approche théoriquedu problème pourrait être traitée en considéranttoutes lesinductancesmutuelles résultant du couplage entre les trois bobines. Considéronsmaintenant les effets dûs à une perturbation électromagnétiqueproduite par une source (orage, moteur detraction) situéeàune distancegrandepar rapport auxdimensions dela balise. L'étendue spectraledu signal perturbateur étant relativementfaible, disons0-2MHz pour le moteur et ses commandes et 0-20 MHz pour un éclair, le champ au voisinage des bobines peut être considéré commeuniforme.Pour lesmêmes raisonsquecellescitéesprécédemment,la tensionparasiterésultante auxbornes du mélangeur sera nulle. Pour conclure, seules les procédures de test et de contrôle destructif appliquéesà l'ensemble : balise - interrogateur seront déterminantessur le choix de l'emplacementde la structure différentielle: soit sur la balise soit à l'émission. Dans ce domaine, seules les mesures expérimentales dans des conditions aussi proches que possible des conditionsréelles d'utilisation sont significatives. Aussi avons-nousdéveloppépbanc de mesure qui permet des vitesses relatives interrogateur / balise supérieuresà 100km/h. Pour desraisons d'ordre pratique évidentes,c'est icila balise quiest animée d'un mouvementrectiligne uniforme (et non l'interrogateur). Pour entermineraveclaprésentationdusystèmeproprementdit,nousnousproposonsdedonner ci-dessousles résultats les plus représentatifs. L'allure réelle du dipositif de localisationcomplet est représentéesurla photographieci-contre. Les différents sous-ensembles de l'interrogateur sont montrés en vue "éclatée" ;on notera que ces éléments peuvent être totalement intégrés dans une boîtier interrogateurunique de 35x 40x 10cm. La figure 1-12montrel'allure dessignauxde sortiedudispositif de localisation,aprèstraitements appropriésdes signauxréémis par la balise. Les conditions de mesure sont les suivantes: - la vitesse de la balise est égale à 120km/h, - émissionhyperfréquence :1GHz - 25 mW, - émissionmoyenne fréquence :4 MHz - courant dans le cadre primaire: 200 mA -puissance rayonnée négligeable, - hauteur balise interrogateur :h = 20 cm ( + 10cm), -la simulationdes perturbations électromagnétiquesest réalisée au moyen d'une perceuse électrique, - simulation de la conductivitéélectrique du sol par une feuille d'aluminium . La figure 1-13montre les oscillogrammesrelevés dans les mêmes conditions mais cette foisen utilisant deux MF (4 MHz et 10MHz) et deuxbalises d'aspect identiquesmais qui se différencientpar leur accord MF respectif (4 MHz ou 10MHz).
  34. 34. I I Fk Fiv Balise numérique Signai modulant la diode de la balise ! Fig. 1.14- Schémade principe du système n"2. Modulateur% Fig. 1.15 - Principe du système à polarisationcroisée (système n03)
  35. 35. PRESENTATION GENERALE 1Remarques 1 On notera plus particdièrement : 1 -précision obtenue d'environ 1cm (sans les 3cm d'eau), 1 -insensibilitéaux variations de hauteur h, -puissanceetfréquenced'émission hyperfréquencecompatiblesaveclesnormesUITenvigueur*, - puissance rayonnée MF négligeable, -par contre le système est sensible aux matières absorbantes "naturelles" recouvrant la balise : l'eau étant le pire des absorbants (ce point est traité en détail au chapitre 5). Rappelonsquecesrésultatssontobtenus avecun dispositifinterrogateur optimisé,mais avecune antenne HF de balise de qualitémédiocre. Pour conclure, disons : - que le systèmeprototypeproposé donne déja de bons résultats, - qu'il sembleêtre compatible avec son environnement "naturel", - qu'il satisfait aux contraintesd'ordre législatif, - et enfin en ce qui concerne les balises, que le rapport qualité/coût est excellent. PRESENTATIONSOMMAIRE DES SYSTEMES NO La structure de la balise numérique est presque identique à celle du systèmeanalogique précédent. Seule change la façon de commuter la diode Schottky: - Dans le système analogique,la diode est commutée à chaque période du signalMF. - Dans le systèmenumérique, la diode n'est commutée qu'à chaque «1»binaire par exemple (modulation tout ou rien ou on-off). Un premier sous ensemble numérique de balise a été réalisé par h4.ATRA.T. Il a été implanté sur des balises «fente»similairesà celles du système 1.Le signal modulant est codé en modulation de phase O - Z / 2, qui a pour avantaged'annuler la composantecontinue du signal démodulé dans le récepteur. La modulation de la porteuse est également du type AM - tout ou rien. Le récepteur conserve le module PYTHAGORE. Des essais avec ce type de balise sont en cours sur la ligne SNCF- Paris-Rouen. Pour notre part, pour palier au phénomène d'inversion de phase du signaldémodulé, nous avons conçu une nouvelle structure de récepteur :la balise reste identique, seul le procédé de codage du signalmodulant est différent fig.(1.14), Du côté récepteur, le principe consiste à traiter directement et simultanémentles signauxFk et Fiy issusdes 2 voies :on n'élève plus au carré. L'explication théorique conduiteau chapitre 4 montre que les signauxFiet Fiy ne peuvent s'annuler simultanément,cela quelles que soient les dis- tances h qui séparent la balise de l'interrogateur. Par contre, on va voir au chapitre 5 que la structure préconiséenécessite un levé d'ambiguïté sur l'information reçue. Pour ce faire nous utilisons un procédé de codage particulier appelé codage différentielou codagepar transitions. En effet, si une telle précaution n'était prise, on serait incapable de déterminer avec certitude si un état 1correspond à un « l m logique, de même pour l'état 0. Ce phénomène s'appelle l'ambiguïté d'ordre 2. l * Pas tout à fait m i : bande ISM -> 915 MHz. ILa fréquence 1 GHz fut choisie ici pour des raisonsde commodité d'usage et de disponibilitk de matériel.
  36. 36. Le procédé de codage différentielest parfois utilisé dans les récepteurs BPSK (sauts de phase O -a ) où n'existe pas ce problème d'annulation et d'inversion :la démodulationcohérentedu signal est dans ce cas le plus souventréalisée avec des PLL qui régénèrent la porteuse HF. Dans le cas qui nous préoccupe, c-à-d en modulation AM tout ou rien, moyennant certainesastuces on va voir au chapitre 5 que le codage différentielest parfaitement adapté, et cela sans compliquer la balise. Une fois l'ambiguïté levée, en sortiedes décodeursdifférentiels,il suffit d'effectuer un <<ou» logique sur les deuxvoies pour récupérer le signalinformatif. Les résultats pratiques montrent la validité de la structure du système ainsiréalisé :nous l'avons appelé systèmen"2. Les photographiesen fin du chapitremontrent la maquette du sous- systèmerécepteur réalisée. Malheureusement,l'onde 1GHz subit une atténuationnotable lorsqu'elle traverse une couche d'eau. En fait la couche d'eau atténuel'onde HF deux fois :une première fois dans le sensvéhicule- balise, et une deuxième fois dans le sens du retour c.a.d le sens balise-véhicule D'où l'idée de remplacer le mélangeurbalise par un mélangeur actif prélevant l'énergie nécessaire à son fonctionnementsur la balise MF, l'énergie MF étant toujours disponible, même en présence d'eau. Le mélangeur actif apporte un gain de conversionde fréquence (2 à 3dB) alors que le mélan- geur dissipatif à diodeprésente au contraire une perte de conversion (-4 à -6dB). Le gain global de puissance entre les 2 systèmesest donc de 8 dB environ.Il permet ainsi de compenser un peu l'atté- nuation par l'eau. Nous employons de plus des antennesà polarisationscroisées pour mieux décou- pler l'onde aller de l'onde retour. Ce système est le no3 (fig(1.U)). 1-5 1SYSTEME~ ' 4BALISE NUMERIQUE A OSCILLATEUR INTEGRE - Le principe consiste cette fois à implanter sur la balise un oscillateur HF modulé par un sous- ensemblenumérique. La sortie de l'oscillateur alimente une antenne. Toute la puissance nécessaireau fonctionnementde la balise est prélevée sur le cadre MF, pour les mêmes raisons que cellesénoncéesà propos du système 3. De ce fait, l'atténuationde l'onde modulée ne se produit que dans le sensbalise-interrogateur. La puissance MF est en partie convertie en puissance HF. Cette propriété est intéressante si la balise est recouverte d'eau par exemple. Par contre, à la réception, une démoduiationsynchrone du signal reçu, utilisant des PLL par ex., deviendraittrès complexe dans ce cas, compte tenu du laps de temps très court disponiblepour la transmission à 400 Km/h. La réception retenue, la plus simple ici est du type hétérodyne. Du point de vue technologique, l'avantage est de mettre en oeuvre des récepteurs classiques. Pourquoi ne pas utiliser la chaîne de réception d'un poste téléviseur?Cette dernièreest parfaitement au point de nosjours. Elle est composée d'un tuner et de circuitsintégrés spécialisés (amplification, démodulation).Fabriqués en grande série, ces composants sont bon marché. Un autre avantage, et non des moindres, se situe sur le plan fonctionnel:en effet, les systèmes 1,2et 3 nécessitent une émissioncontinue d'une onde monochromatiqueHF. Ce point peut s'avérer gênant lors d'un croisementde trains. Ici l'émission HF ne prend naissance que lorsquel'oscillateur de la balise est alimenté, c.à.d uniquement lorsque l'interrogateurdu train se trouve au-dessusde la balise. Nous avons élaboréen laboratoire2 types de balises : - à oscillateur UHF 820 MHz - à oscillateurHF 50 MHz (dans ce cas il n'y a plus d'onde hyper, la MF ne sert plus qu'à fournirl'énergie à l'oscillateur50 MHz. Le principe est très différent de la balise de base nOl). Pour l'oscillateur UHF on est confronté au problème de dérive en fréquence. Par contre, pour le 2ème cas, on peut garantir la stabilitéde la fréquencede l'oscillateur en faisantusage d'un quartz.
  37. 37. 1-1 PRESENTATION GENERALEm PRESENTATION DU SYS'IEME -BALISES NUMERIQUES A IM- PULSIONS 50 MHz,RECEPTION H ~ ~ ~ R O D Y N E(150KB/S OU 1 IMB/S). Le principe de ce système ressemble à celui qui est commercialisé par ERICSSON. Il s'agit d'exciter un circuit oscillant RLC par une percussion brève, à chaque al» du message binaire par exemple. Ici, le circuit RLC résonne sur la fréquence 50 MHz. Le générateur d'impulsionsainsi que le sous ensemble numérique sont une fois de plus alimentés à partir du cadre MF. La particularité de notre système par rapport au systèmeERICSSON devrait se situer au niveau du générateur d'impulsions :le prototype proposé délivredes impulsionsd'amplitude supé- rieure à 50 V avec un temps de descente inférieur à 5 ns, d'où des fréquences HF élevées. La réception des impulsions émises est du type hétérodyne (le même récepteur que pour le système 4). Du point de vue fonctionnel, ce système possède les mêmes avantagesque le système4 mais se distinguepar le fait qu'il prélève très peu d'énergie sur le cadre MF. PRESENTATIONDES PROBLEMES P A R T I ~ R SA RESOUDRE - CAHIER DES CHARGES SNCF. / Nous donnons ci-après les points les plus significatifs du projet du cahier des charges SNCF. -fonctionner dans l'environnement ferroGaire courant. -rester opérationnel jusqu'à des vitesses de 110m/s soit: 3% Km/h - détecter et identifier ponctuellement la position du train avec une précision meilieure que 25cm et un très haut niveau de sécurité reposant sur un codage des informations transmises dans le message. -permettre l'étalonnage de position en marche des équipements de bord.
  38. 38. 2 -Contraintestechniques. a) balises. - les répondeurs (balises) seront posés dans l'axe de la voie (ainsiils peuvent être lus dans les 2 sens de circulationd'oh une économie de balises) - il faut qu'un minimum de contraintessoient attachéesà i'installation et à la mise en service desrépondeurs. - indispensable :la programmation de la mémoire de chaque répondeur contenant le message pourra être effectuéesur place avant scellement. -fiabilitéprévisionnelle d'au moins 100.000Heures. - transmettre au moins 2 séquencesde 128bits d'information. b) interrogateur - taux de mauvaise lecture de répondeur < loJ . - surfacemaximum :700 cm2et 10cm de hauteur. -hauteurs interrogateur-répondeur:30 cm (+O,+10) ou 60cm (+0,+10)selon les engins moteurs. - critère fondamentalde choix desbalises. - à minimiser pour 10.000interrogateurs. 1Objectifs visés lors de la conceptiondes systèmes. En fonctiondes éléments du cahier des charges, nous avons conçu les différents systèmesen visant les objectifs suivants(pour la plupart, surévalués): - distance maximum interrogateurbalise: 70cm -zone de détection effective : 30cm pour un interrogateursitué à 50/60 cm du sol. - zone effective de transmission : 15cm - longueur minimum d'une trame numérique :256 bits - Débit numérique suffiiant pour la transmission de 10trames de 256 bits en 2,7ms: - dimensions des interrogateurs25 x 25x lOcm pour h = 30cm; compte tenu des phénomènesphysiques liés au couplagemagnétiqueMF, il faut augmenter les dimensions du cadre de l'interrogateur: pour h = 60cm il faut un interrogateur d'environ 40 x 40 x 1Ocm. Commenousl'avons signaléenintroduction,l'abaissementduprixderevientdesdifférents organesdu systèmen'est possible que si on utilise des composants de base d'usage très courant. Rappelons que le facteur coût inhérent auxbalises est ici fondamental. D'un autre côté, sinous avonsjusqu'ici répondu auxquestionsd'ordregénéral :localisa- tion, applications, contraintes,objectifs,structures,et caractéristiquesdefonctionnement,il n'en demeurepasmoinsvraiquesepose maintenantunequestion importante:lafaisabilitétechnique industrielle. Insistonssur le fait qu'il s'agit ici d'une étape préliminaire à un éventuel développement industrie1du système. Une descriptionplus détailléedes systèmess'avère à présent nécessaire.
  39. 39. l --------- SYSEMEW1 -------- structure+&ultats 1 l ~ sources moyennesfréquences 1 DEMODULATEUR l ~1 AN'IENNES et PROPA- I GATION EM l -thdone O ----- -choix des antennes MELANGEURSFAIBLE COUT atténuation des ondes i , -thdorie -choixdes diodespour les mdlan- geurspassifs -mdlangeuractif i -caractérisation -puissancesHF et MF I Systemes numériques 2.343 structures+résultats Fig. 1.17- organisation du manuscrit.
  40. 40. A cet effet, dans le reste du mémoire, nous nous efforcerons dejustifier les propos déjà tenus et de répondre à d'autres questionstelles que : - l'optimisation des performances, - la réalisation pratique, - sur le plan technologique:la reproductivité en série des dispositifs, -sur le plan des performances :la qualification et la quantificationdes pertes qui résultent par exemple de l'opération de mélange, de l'atténuation des ondes électromagnétiquesen présence d'eau. - certainssous-ensemblesde la balise étant alimentés par le cadre MF, quellessont alors les puissances disponibleset comment optimiser leur transmission ? L'organisation du manuscrit est schématisée à la figure 1-17. Les problèmes à résoudre seront introduits plus explicitement au début de chaque chapitre. Nousavonsaucoursdecechapitreexaminéleproblème delalocalisationengénéralappliquéplus particulièrement aux réseaux ferroviaires et aux véhicules à conduite automatisée. Toujoursd'un point de vue général, nous avons considéré l'aspect fonctionnel des architectures utilisant des balises de voie, susceptibles d'apporter assistance au contrôle et à la commande des véhicules. Nous en avons déduit l'importance du repérage par rapport au sol et des commandes en provenancede celuici,ainsiqueles multiplesfonctionsque doiventréaliser lessystèmesde transmission ponctuelle sol-véhicule. Lesobjectifsétant furés, et en réponseaux contraintesdecoût,d'environnement, delégislationet de "fonctionnalité" nous avons alors proposé une structure originale d'un système qui exploite, entre autres, les propriétés de la démodulation cohérente. Nous avons vu que la structuremodulaire du dispositif proposé (concept unique de l'interroga- teur) lui confère une très grande souplesse d'utilisation. Dans des conditions proches de la réalité d'utilisation, les premiers résultats expérimentaux obtenus avecle système1étant bons, on peut affirmer que des processus de codage de type LEHMAN ou en base n sont parfaitement envisageables pour les transports guidés. Pour la SNCF et les métros, le besoin en matière de localisateur absolu nous à conduit à développerdessystèmesnumériques que nous avonsprésentés. Mais quelles sont leursperformances? D'une façongénérale, lesperformancesdépendentdurapport dusignaldémodulésur bruit quiest liéau procédé de modulation utilisé : ce point sera examiné au chapitre 5. Il parait donc important d'entreprendre une étude plus complète dans le but de faciliter un éventuel développementindustriel du procédé.
  41. 41. I I BANCD'ESSAIS DYNAMIQUES.
  42. 42. HAPITRE II.
  43. 43. HAPITRE II.
  44. 44. Impédance des transformateurs ? A Mélangeur Charge u Antenne (source) d'impedance Z A w Fig.2.1. Représentation du probléme d'adaptation du mélangeur avec les éléments associés R 'rf Wrf "fi source ___j *fi ëlement non charge lineuire O O fig 2.2.Schémo de principe d'un rnélongeur simple diode Les filtres d'entrée ( w ~ )et de sortie (OFr),sont supposés idéaux : court circuit pour les fréquences F,ç et FFi et circuit ouvert pour les fréquences hors-bande.
  45. 45. 1 1 ous avons précisé au chapitre précédent le rôle de chacun des mélangeursdu système. En ce qui concerneplus particulièrement le mélangeurbalise, l'implantation d'un mélangeur commercialne satisfaitpas la contraintede coût. Bien que pour l'interrogateur embarqué, le facteur coût soit d'importance moindre, nous verrons que les mélan- geurs non commerciauxproposés conviennent bien au système. On se trouve par conséquent confronté au problème de la conception et de l'optimisation des mélangeurs. L'investigation inhérenteau mélange devant bien sûr se concrétiser par la réalisation pratique des mélan- geurs, on se propose de résoudre le problème posé en répondant auxquestions suivantes : -Quels sont les composants les plus économiquessusceptiblesde réaliser la fonction mélange ? - Dans la phase de mise au point, comment être sûr que les performancesobtenuessont optimales (notam- ment les pertes de conversion) ? - Etant donné une sourceHF d'impédance de sortie connue (antenne par exemple), comment réaliser, dans les meilleuresconditionspossibles, la transition source-mélangeur? :l'adaptation en puissance nécessite la con- naissance des impédances optimales, de source et de charge du mélangeur (figure 2-1). - Quelle puissance HF et MF faut-ilémettrepour assurer le bon fonctionnementdu système ? A cet effet, nous avons divisé le chapitre en quatreparties. Dans la première partie qui est plutôt théorique, nous commençonspar choisir les diodesde mélange. Puis, après un bref rappel permettant de qualifler le processus de conversion de fréquence,nous quantifionsthéorique- ment les pertes de conversionet les résistances de sourceet de charge. Dans une deuxième partie, en se basant sur les résultats théoriques, nous proposonsune méthode expéri- mentale d'optimisation qui débouchera directement sur la réalisation pratique des mélangeurspassifs. Nous donnonsensuiteles caractéristiquesdes structuresproposées :mélangeur balise et mélangeurs de réception. Enfi, dans la dernière partie nous montrons la structure d'un mélangeur actif qui est utilisé dans les systèmes à polarisations croisées. 1 LES MELANGEURSD 11- 1- 11PROCESSUS DE MELANGE -PRINCIPE II- 1. Le changement de fréquence est une opération qui transpose la fréquence F,,du signal incident en une onde de fréquenceF, (fréquenceintermédiaire)par mélange avec un signallocal de fréquence FOL(désigné parfois par Fp:pompage). L'opération de mélange est réalisée par un élé- ment non linéaire :diode, interrupteur... La figure2-2 montre le schéma de principe d'un mélangeur simple diode. L'élément non linéaire est ici la conductance dejonction qui varie au tyîhme de POL (le circuit de pompage n'est pas représen- té). Il en résulte l'apparition de battementsparmi lesquels (figure 2-3) : LACONVERSION DE FREQUENCE 1 - ler battement direct xdiiférencex : F,A = FRF- FOL - ler battement direct «somme»: F& = 'RF + F~~ Ces deuxbattementsse produisent avec la même efficacité. Dans le cas des mélangeursdissipatifs (diodes),il est important de prendre en considération
  46. 46. fig 2.3. Principe du changement de fréquence. a 2 V1 Puissances a3 Puissances C -(L ln C C c .- & 4 a, .- e, (r Ca a, r g C E 4 a, 4- a, A 4- fig 2.4.Schéma équivalent de la diode SCHOTTKY. a, .-w CI* a,a + I O Li- A O A _] LL -I LL P -I LL? Frequences O Frequences O LL L -J LL O O O LL I LL L L I 4- + L L LL LLK LL L= P:! " , LL= ,? A) FOL#FRF ii+ A) F ~ EF~~ lik O 13 h a, 2 b 1 Perte de conversion C-C o 4 n A r 1b
  47. 47. LES MELANGEURS- considération le fait qu'une partie seulement de la puissance du signai d'entrée est convertie à la fréquence intermédiaire (FI). Cette perte est mesurée par la perte de conversion L : puissance FI (sur l'un desdeuxbattements ) . L(db)= l0log (R2-1) Puissance RF A titre d'exemple, considéro& le cas de la balise de localisation :le rapport entre la puissance hyperfréquencereçue par labalise ( PR, ) et la puissanceréémise par cette dernière versl'interrogateur ( Fm) est représentatif des pertes de conversion du mélangeur balise. A leurtour, lesfréquencesFm,, et Fmsupsont convertiesauxfréquencesappelées "images", par battement avecla fréquence de pompage FOL : Par exemple dans le cas du battement différenceFmA : Fim = FOL- FmA Dans la pratique, le niveaudu signalde pompage étant élevé comparativementau signald'entrée RF, lemélangeurgénère desharmoniques n. FOL(n = 2,3,...)quieuxaussidonnent naissanceàd'autres battements. Le spectre résultant comporte ainsi une multitude de raies qui heureusement décroissent rapidement.L'Mage etlesbattements harmoniquespeuvent êtrequalifiésde "parasites" et donnent lieu à une dispersiondela puissance disponible,d'où l'augmentation de la perte de conversionàla fréquence d'intérêt. Il convient donc de filtrer ces signaux indésirables (dans la mesure du possible). Le mélangeur idéal serait un interrupteur qui commuterait le signai d'entrée au rythme de l'oscillateur local. Pratiquement, auxfréquences élevées,la diode SCHOTTKY (entre autres) est capable dejouer le rôle de l'interrupteur. Dans ce cas, la variation temporelle de la résistance (ou conductance) est liée à la non linéarité de la caractéristique de transfert courant tension. CARAC~ERISTIQUESDE L'ELEMENT MELANGEUR : LA DIODE SCHOTIXN On trouvera en référence [2-11 [2-21 sa description détaillée. Nous ne donnons ici que les principales propriétés qui seront utiles à l'étude quantitative du mélangeur. La diode SCHOTTKY est la version moderne de la diode à pointe. C'est une hétéro-jonction constituée par un contact métal-semi conducteur. Elle est particulièrement intéressante dans l'application mélangeur puisqu'elle ne présente pas d'effets de stockage de charge susceptibles de limiter la fréquence de fonctionnement. Le schéma équivalent est représenté à la figure 2-4. Le courant de porteurs traversant lajonction est donné par la loi :
  48. 48. II- 1-3 où Va - Rs IDest la potentiel effectivement appliqué à la jonction Rs est la résistance série (contacts + substrat) Ut = potentiel thermodynamique(26 mV à 300°K) 7 = facteur d'idéalité qui est proche de 1pour les diodes que nous utiliserons. Le mécanisme d'évacuation des minoritaires n'existant pas, le temps de commutation régime conducteur - régime inverse n'est limité que par la capacité dejonction Cj : Cjo Cj = (R2-3) où qî est la baniere de potentiel et CjO est la capacité dejonction sans polarisation externe. On peut enfiin montrer que la résistance de jonction Rj s'exprime par : avec 1courant de polarisation directe. CHOIXDES DIODES SCHOTTKY Pour satisfairela contrainte de coût, notre choixs'est porté sur des diodes d'usage très courant. Leursdimensionsgéométriquesdoiventêtrepetites par rapport auxlongueursd'onde utilisées.Certaines d'entre ellesappartiennent à lafamilledecomposantsappelésCMS(composants montage ensurface). Comme sonnom l'indique, cette technologiene nécessitepas le traditionnelperpge ducircuitimprimé et limite ainsiles impédancesparasites dues au repliement des pattes du composant.Enfii elle se prête bien aux techniques des lignes microrubans (tant que les fréquences de travail restent inférieures à 3 GHz). / Nous avonsretenu les trois diodes suivantes(HEWLEïT PACKARD) : - HSMS 2820 (ou 5082-2835): R s = 6 Q , CjO = 1pF - 5082-2817 (boîtier verre) : R s = 6 S d , CjO = 0,84 pF On trouvera en annexe les caractéristiques détaillées de ces diodes. La résistancede la diodeSCHOTTKYpeut êtreexpriméepar Rs ou par sarésistance dynamique RD.Ces deuxtermes sont liés par la relation : RD= Rs + Rj où Rj est la résistance dejonction définie précédemment. ( Contrairement à la résistance dejonction, la résistance série Rs est indépendante du courant.
  49. 49. 1 fig 2.5. Caractéristique courant-tension de la diode HSMS 2800 à la température T = 25-C. ..................................................................................................... ' C E R T E ~1.080 O 6Hz ' S P R N ~ ~ ~ I . ~flHz . *RB 180 kHz +UB 1.QD kH; $7' 6.89rj :;en: fig 2.6.~xemple de réponse fournie par un mélangeur.
  50. 50. LES MELANGEURS- II- 2 LEPROCESSUS DE MELANGE Dans ce paragraphe, à partir des caractéristiques des diodes choisies, on se propose d'étudier théoriquement l'intégration de la diodedans l'ensemble qui constituelemélangeur.Nous avonsvu dans l'introduction de ce chapitre que l'optimisation du mélangeur (adaptation en puissance) nécessite la connaissance de l'impédance optimale de source et de l'impédance optimale de charge d'une part, et l'évaluation despertes deconversion,d'autre part. Laconnaissancedel'ordre degrandeur decesvaleurs s'avèrera indispensablelors de l'élaboration du prototype de mélangeur qui servira à la mise au point finale. A cet effet, nous commençons par rappeler brièvement la classique analyse qualitative du processus de mélange. Elle permet d'expliquer la présence des raies d'intermodulation. E n f i dans une deuxième partie, en se basant sur la théorie des mélangeurs résistifs, nous examinonsl'influence desélémentsparasitesRs,Cjsurlerendement deconversionetsur lesimpédances de source et de charge. La comparaison des résultats obtenus pour chacune des diodes déterminera leur choix. La figure 2-5 représente la caractéristique 1 = f(V) d'une diode SCHOTTKY HSMS 2800 (HEWLE'IT PACKARD). Cettecaractéristiqueestquasiexponentielleconformémentàl'expressionR 2-2.Considéronsl'excursion d'une tension sinusoïdaled'amplitude V autour d'un point de polarisation (Fig2-5). On montre que le courant direct peut se mettre sous la forme : Si on applique simultanément un signal voL = VpCOS wpt et v, = V, cosw,t et en remplaçant dans l'expression R 2-5 ,on peut également montrer que chaque terme K v,voL provenant du développement génère deux fréquences appelées : fréquence somme : + fréquence différence : F~~- F o ~ Exemple :ler battements : 'RF ' 'OL 2 B v,voL = B VRFVOL[ cos ( wRF- woL) t + cos (wRF+ woL) t ] La puissance délivrée par l'oscillateur local (POL)étant généralement très supérieure à la puissance du signal incident (PR,), les produits d'intermodulation de la forme : ?mFRF ? nFoL sont nettement moins apparents que ceux de la forme : + FR, + n FOL On trouvera en référence [2-21le détail du calcul. Pour illustrercesrésultats,lafigure2-6représentelessignauxobtenusavecunmélangeur denotre fabrication.
  51. 51. $<Vo, cr2te (ou Vprrite) F i g . 2 .? : Principe du pompage de l a diode sans polarisation continue externe. TEMPS 0.4 pS / div. F i g . 2 . 8 : Allure du courant c i r c u l a n t dans l a diode F = 4 MHz
  52. 52. LES MELANGEURS- - Dans le sens direct, l'accroissement de la tension de pompage provoque une diminution de la conductance présentée par la jonction jusqu'à atteindre grnax = 1/Rs ; 2 -Dans le sens inverse,la diode présente une conductancerésiduelle gmin = Rs o .Cj2 (partie réelie de l'admittance du circuit Rs Cj ). La figure2-8 montre la formedu courant circulant dans la diode .Il est produit par un pompage en tension sinusoïdalede fréquence 4 MHz. Dans cesconditions,l'analyse qualitative décrite précédemment ne convient pas pour résoudre la problème posé (pas de polarisation statique dans notre cas). Remarque :si on appliqueà la diode des petits signaux, l'excursion du point de fonctionnement autour du point de repos est alors petite. On peut dans ce cas approximerla courbe à sa tangente au point de repos et l'expression R 2-5 devient : I = A V La réponse de la diode est alors quasi-linéaire,il ne se produit plus de battement. On se propose à présent de déterminer approximativement les pertes de conversion et les impédances (d'entrée RF et de sortie IF) présentées par un mélangeur constituépar une simple diode SCHOTTKY. Le pompage en tension effectivement utilisé dans les mélangeurs du système s'effectue sans prépolarisation statique .Il est représenté à la figure 2-7. Ladiodeprésente une résistancesérieRs etune capacitédejonction Cj quiaffectentleprocessus de mélange. Ces éléments parasites ont pour effet d'augmenter les pertes de conversion et de modifier les résistances d'entrée et de sortie du mélangeur. METHODED'ANALYSE THEORIQUE - PERTESDE CONVERSION - IMPEDANCES D'ENTREES RF ET DE SORTIE Les pertes globales dépendent d'abord des propriétés de la jonction, puis des impédances parasites, enfi des circuits d'adaptation et de filtrage. La théorie permettant le calcul des pertes de conversion a été décrite par HEROLD [2-31, TORREY et WHITMER [2-41. Le principe du calcul consiste tout d'abord à décomposerg(t) (pics de conductance représentés sur la figure 2-7) en série de FOURIER et, selon le type de mélangeur utilisé, à considérer ou non les conductancesg,,,g, ,g,...: g(t) = g,, + Z2g,cosn<upt (R2-6) avecop = pulsation de pompage. Une bonne approximationconsiste à assimilerles pics de conductanceréels à des pics rectangu- laires (BARBER [2-51).Le rapport cycliqueéquivalent t / T obtenu pour des courants de pompage 1.,(ou 1 ) supérieurs à 10mA est compris entre 20% et 30%.
  53. 53. fig 2.9.Forme temporelle équivalente de la conductance de la diode , pompée
  54. 54. 11est alors possible de considérer les éléments Rs et Cj comme des éléments de valeur constante. La forme temporelle de la conductance équivalente est représentée à la figure 2-9. Les coefficientsrésultant de la décompositionde FOURIER de g(t) sont : t sin 2 - n 1 = rapport cyciique ~ = ( g , ~ 1 - ~ n )T n t ,= (g--grmtl) s i n T x avec n Dans cesconditions, et en supposantle mélangeur large bande*, lespertes de conversiontotales s'expriment par [2-51: . 1 - (R2-7) L =Rs - la conductance optimale de source : -la conductanceoptimale de charge : Pour les deuxdiodes choisies, HSMS 2800 et 2835,l'évolution de chacune de ces trois grandeurs en fonction de la fréquence est représentée aux figures 2-10 et 2-lObis (rapport cyclique = 25 %). * C'est à dire en supposant la conductance,vue par la fréquence image, égale à la résistance de snurce (vrai dans le cas des mélaneeurs du svstèmel.
  55. 55. O 0.5 1 1-5 2 2-5 3 3-5 FREQUENCE~( GHz ) fig2.10.Pertes de conversion théoriques (totales) dues aux caractéristiques de Qonction et aux éléments parasites rs. cj des diodes 2 0 0 et 2835 (Io, crête N 1OmA). X,, crête .u 1Omq FREQUENCES( GHz ) F;g 2.10 bis Résistances, de source et de char e, optimales en fonction de la fréquence HF (IoL crête % I ~ T I A ) .
  56. 56. LES MELANGEURS- En ce qui concerne les pertes, on remarque que la diode 2820 ou 2835 est meilleure que la 2800, surtout à partir de 2 GHz (3dB de différence). On notera également qu'avec ce type de mélangeur, les pertes aux basses fréquences convergent vers la limite de 3 dB. D'un autre côté, les courbes de la figure 2-l0bis montrent que pour une diode déterminée, la résistanceoptimale de source diffèrede la résistance optimalede chargeet que leur valeur est comprise disons entre 100et 250 51 à 1GHz. Précisons toutefois que les estimations obtenues sont très approximatives. Ces valeurs varient beaucoupenfonctiondurapport cyclique(doncdel'amplitudeet delaforme dusignaldepompage). Les valeursde capacitéCj choisiescorrespondent en fait à Çjo ,capacitésanspolarisationexterne:en toute rigueur, on aurait du tenir compte du fait que la capacité dejonction varie également en fonctionde la tension instantanée appliquée à la diode. /I?TITMAIIoN DES PERTESDUES UNIQUEMENTAUX ELEMENTS PARASïlTS DE LA DIODE Devant l'importance du choix des diodes à utiliser, et dans la perspective d'une évolution du systèmeversl'emploid'une fréquenceHFde2.45 GHz,nousavonsjugé bondeprécisermieuxl'influence des éléments parasites Rs et Cj sur les pertes de conversion. En se référant au schéma équivalent de la diode (figure 2-4), la puissance HF effectivement disponibleau niveau de lajonction diminueavec l'augmentation de la fréquence.Cette perte, contenue implicitement dans l'expression précédente R 2-8 donnant la perte de conversion globale, peut être distinguéepar [2-41 : Rs L, (dB) = 10log[ 1+ - + w2CjZRSRj ] (R2-11) Rj 0.026 I Rj dépendantfortement del'amplitudedusignaldepompage,lafamilièreexpressionRj21 . ne s'applique pas au cas du courant redressé. Elle se réfère à un courant de polarisation continu. Dans notre cas, la valeur instantanée du courant de pompage varie entre un maximum (sens direct) et un minimum (sens inverse). La valeur moyenne de la résistance de jonction est donc supérieure à celle donnée par cette expression ;elle est d'environ 130S2 pour un courant de pompage ' Iomte de = 10mA , Les pertes dues uniquement aux impédances parasites des trois diodes :2800 - 2835 et 5310 sont représentées à la figure 2-11. La diode 5310 est une diode spécifiquement conçue pour le mélange haute-fréquence (18 GHz, mais nettement plus chère que les deux autres). Auxbasses fréquences,lespertes sont indépendantes de Cj .La meilleurediodeest la2835quiprésente la plus petite résistance série Rs.
  57. 57. 1 FREQUENCE GHz fig.2-Il. Pertes de conversion inhérentes aux impédances parasites. fig2.12.Schéma équivalent réel de la diode lmpedances parasites supplémentaires : L p et Cr.
  58. 58. II- 3 Aux hautes fréquences, les effets dus à la capacitancedeviennentprépondérants. On remarquera qu'à 1GHz, les trois diodes ont des performances quasi-identiques et qu'aux basses fréquences la 2335 est même meilleure que la 5310. Enfin,pour en terminer avec les pertes de conversion, précisons que ces derniers résultats sont compatiblesavec les résultats précédents. En effet, la perte de conversion totale s'écrit [2-41: % =Li + L2 (dB) (R2-12) (o$L, est la perte due à la jonction seule ( = 4 dB avec ce type de mélangeur [2-41). 1Condusion- Choixdesdiodes 1 Melangeur balise: HSMS 2800 :plus de pertes que la 2835 mais tension de claquage inverse -> V,, = 70volts. Mélangeurs de réception: 2835 (ou 2820) :moins de pertes de conversion, V,, = 8V BRUITDU MELANGEUR B~urrINTRINSEQUEAU MELANGEUR Les trois sources de bruit ont pour origine :le bruit thermique, le bruit de grenaille et le bruit de scintillation[2-61. Lebruit descintillationoubruit en "1/ f' est inversement proportionnel àlafréquence ;ilest donc particulièrement gênant dans la bande des basses fréquences. OSCILLATEUR LOCAL Le facteur de bruit du montage dépend également du niveau du signal de pompage et des impédances, de source et de charge, présentées à la fréquence image 12-51. Du point devuepratique, on approximegénéralementlefacteurdebruit auxpertes deconversion du mélangeur: Signalonsenfinquelebruit injectépar l'oscillateur local,quine délivrepas un signalparfaitement pur, est transposé à la fréquence intermédiaire FI. Une symétrisationdu montage (2 diodes) permet de diminuer le bruit transposé d'environ 20-30 dB.
  59. 59. ADRET ou RHODE et SCHWARTZ HP 71 000 SMH Wavetec - 193 -Court-circuit HF r----- ------ en circuit ouvert FIG. 2-13.Montage réalisé pour l'optimisation du mélangeur.
  60. 60. LES MELANGEURS- QU ES PRATIQUES DES MELANGEURS Dans ce paragraphe, nous proposons les structures de mélangeur concernant tout d'abord la balise, puis le récepteur embarqué quiutilise deuxmélangeurssymétriques. Ces structures sont choisies en fonction des performances souhaitées, des contraintes de coût et de sécurité en fonctionnement du système. DU(XIWil3 DE FABRICATION DES MELANGEURS La connaissance de l'impédance présentée par la diode permet son adaptation aux éléments associés tels que source, antenne, ligne microruban. Le schéma équivalent à considérer est celui de la figure 2-12 où interviennent maintenant les impédancesparasites supplémentaires dues au boîtier de la diode d'une part, et aux conditions réelles d'assemblage (soudures, repliement des pattes...). Ces diodes d'usage courant ne sont pas caractériséesni triées par le constructeur. Dans le but de ,réduire lespertes supplémentairesd'inadaptation et de concluresur la reproductivitéde fabrication des mélangeurs, nousavonsentreprisunesériedemesuressurun lot decinqdiodesprovenantchacune d'une série de fabrication différente. Les mesures ont été réalisées au laboratoire par la méthode réflectométrique avec un vecteur metre piloté par un calculateur. Afin de valider nos résultats, une deuxième série de mesures a été effectuée au CHS*avec un analyseur de réseau. On trouvera en annexe une descriptionde la méthode de mesure d'impédance, et les résultats de mesure concernant les deuxdiodes choisies (pour différents courants de polarisation). La comparaison des résultats a montré des différences inférieures à 10% concernant les capacitanceset inférieures à 5% concernant les résistances. Ce dernier point nous renseigne sur la reproductivité de fabrication d'un dispositif mélangeur élaboré à partir de ce type de diodes. A 1GHz, nous avonsvu que la diode HSMS 2800 convient particulièrementbien au mélangeur balise :à priori, résistance aux perturbations atmosphériques (orage) meilleure que la 2835. Concernant la structure du mélangeur,tant du point de vue coût que du point de vue sécurité, on peut résumer la ligne de conduite à suivre par : 1"moins il y a, mieux c'est" Pour cette raison,lemélangeurbaliseest dutype simplediode(singleendedmixer).Unestructure symétrique nécessiteraitl'emploi d'au moins deux diodes :solution un peu plus chère et augmentation du risque de mauvais contacts dus à la multiplication des soudures. * CHS :Centre Hyperfréquence et Semi-conducteurs.
  61. 61. fig2-14,Cellule mélangeuse optimisée (pour Io, crête > 10mA). fig2-1S.Réponse du mélangeur pour Io, crête = 10mA. fig 2.16.Evolution des pertes de conversion en fonction de l'amplitude de la tension crête de pompage.
  62. 62. L'optimisation des pertes de conversion résulte de "l'adaptation'' de la diode 2800 avec les éléments qui lui sont associés: -résistances, de source et de charge, optimales : 100SZ c R et I3 cbargeopt c250 Q (vu au paragraphe 11-2de ce chapitre). Précisons que dans le cas de la balise, l'antenne hyperfréquenceconstitue à la fois la charge et la source. - adaptation en puissance au sens habituel : 1 impédance complexe de source (ou de charge) = impédance complexe conjuguée de la diode. Zs = Zd* A 1GHz, la mesure directe de i'impédance présentée par une diode pompée par un fort signal4 MHz n'est pas réalisable avec les instruments de mesure classiques (régime fortement non Linéaire). Aussi avons-nous développé une méthode de mesure permettant l'optimisation pratique du mélangeur. La méthode utilise un pont réflectomètre. Les pertes d'insertion inhérentes aux différents élémentsdumontagetelsquepont réflectomètre,celluledefdtrage,câblesont étémesurés au préalable. le montage est représenté à la figure 2-13. II- 4.2.2.1 Le signaldepompage4MHz est injectédans la ligne Ag /4 .Court-circuitéepar un condensateur à son extrémité (vis-à-vis de la HF), elle se présente comme un circuit ouvert dans i'axe du Té, et ne perturbe donc pas le signal hyperfréquence. Cette ligne constitue également un court-circuit pour le signal de fréquence 2 FR, et diminue ainsi les pertes de conversion aux fréquences utiles. OPTIMISATIONP R A ~ U EDES PERTES DE CONVERSION DU MELANGEUR La cellulede mesure est réalisée à partir d'un support classiquede type circuit imprimé en verre- époxyde (substrat économique qui servira à la fabrication finale de la balise). Leslignesmicrorubans sontélaborées àpartir derubans decuivre(dutypeclinquantautocollant) collés sur la face supérieure d'un support circuit imprimé. Moyennant toutes ces précautions de mesure, l'optimisation du rendement de conversionse fait par l'observation, sur l'analyseur, des deux premiers battements latéraux. L'adaptation en puissance est réalisée par : - le transformateur Ag /4 qui adapte la partie résistive de l'impédance de la diode, - le stub qui compense la partie réactive présentée par la diode et ses soudures. L'optimisation pratique des pertes de conversion consiste à diminuer progressivement (par découpage)la largeur W du transformateur d'adaptation et la longueur 1du stub,jusqu'à l'obtention des raies FR, + FOLmaximales. L'étude descaractéristiquesdusupportépoxyet desélémentshyperfréquences(lignes,coupleurs) sera décrite au chapitre III.
  63. 63. CENTER 1.477 0 GHz SPBN 200.0 Hdz *iiiB0 kHz *UE 3.80 k4z ST 2.8QEi sec figZ.12 Réponse du mélangeur pour Io, créte = 30mA. fig2.18.Quontification du phénomène de saturation du mélangeur Point de compression à 1 db (Pl et PZ) pour deux courants de pompoge différents.
  64. 64. LES MELANGEURS- La figure 2-14 montre la cellule mélangeuse optimisée à 1GHz. Le transformateur quart d'onde est constituéd'une lignede largeur W = 1mm, ce qui correspond à une impédance caractéristique Zc = 80 Q. L'application de la relation d'adaptation concernant le transformateur Ag/4 nous donne : a = 450 n+ z,,, d'où 7Jqui correspond donc à la résistance optimale de source d'alimentation de la diode (pour Io, = 10mA crête). 1 La figure 2-i5 représente la réponse du mélangeur ainsi optimisé. La connaissance des différentes pertes d'insertion (câbles, pont...)permet de quantifier la perte de conversion totale, soit pour la 2800 et à la fréquence 1GHz : L, = 5.5 dB avec Io, crête = 10mA (sur une bande latérale). Ce résultat est satisfaisantet correspond à celui déterminé théoriquement (voir courbe figure 2-6: L, = 5,5 dB). A titrede comparaison,signalonsqu'un mélangeurcommercialclassique(AD 149)présente dans les mêmes conditionsune perte de 8 dB. La réponse du mélangeur en fonction du niveau délivré par l'oscillateur local est une caractéris- tique très importante. Eneffet,ceniveauest représentatif delapuissancequedoitfournirl'émetteur MFembarqué dans le véhicule. D'où l'intérêt de travailleravecun mélangeur balise faibleniveau OL, notamment devant la contrainte législativeconcernant l'octroi des bandes de fréquences.Nous utiliseronsle terme "barrière basse" pour les diodesqui possèdent une faiblevaleur de tension pour un courant donné(usuel1ement 1 mA). C'est le cas des deux diodes choisies2800 et 2835 :Vd (1mA) = 0,35 V. La figure 2-16 nous montre l'évolution des pertes de conversion en fonction du courant de pompage Io, avec le montage de la figure 2-13. - On constate qu'à partir d'un courant crête de 6 mA, les performances du mélangeur ne s'améliorent pratiquement plus. Le rendement de conversion maximum est obtenu pour un courant de 20 mA, puis décroît lentement lorsque la valeur du courant croît. Ce phénomène s'explique par la perte de puissance à la fréquenceutile provoquée par l'augmentation de la puissance dissipéeaux fréquences d'intermodulation de rang élevé (vu au chapitre II lors de l'analyse qualitative). La figure2-17 donne la réponse dumélangeur lorsquele courant de pompage est de 30mA crête. Pour assurer le bon fonctionnement du système, l'émetteur MF embarqué doit être conçu de manière à induire au niveau du mélangeur balise, un courant supérieur à 8 mA crête.
  65. 65. fig2.79.Reponse F I du mélangeur bolise en fonction de la fréquence. fig2.20.Schéma de principe d'un rnélongeur BF

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