Cours Domotique 10

DOMOTIQUEDOMOTIQUE

Communications filaires Communications filaires de l’habitat

A3 EO (2010)

Vincent GUILLET (Ingénieur / Doctorant)

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le module

DOMOTIQUEDOMOTIQUE

• Objectifs:– Choisir un type de capteurs en fonction de la

grandeur à mesurer et son électronique de conditionnement

– Analyser et mettre en œuvre le type de commande adaptée au processus à piloter

d l l l l d – Adapter le protocole et le canal de communication à l’environnementP l l i d d d’ – Programmer la logique de commande d’un automatisme

20/04/20102

Vincent GUILLET, Institut PRISME

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Plan du cours

• RappelsTélé i ti l d ti• Télécommunications pour la domotique– Vers une maison numérique– Les besoins réseaux

• Les solutions réseaux– Du plus simple…

• Fil pilote• Câbles dédiés

– … en passant par les solutions moyennes…CPL B débit t i• CPL Bas débits, porteuse unique

– … et les plus compliquées• Les solutions OFDM multi porteuses !• Les solutions OFDM, multi-porteuses !

20/04/2010Vincent GUILLET, Institut PRISME3

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Rappels

(1/2)(1/2)

L j t lti l !• Le « jargon »… et ses multiples !– b/s : bits per seconds

B/ B t d ( t t d )– B/s : Bytes per seconds (octets par secondes)– CPL: Courant Porteur en Ligne

B débit < l kb/• Bas débit : < qlq kb/s• Haut débit : > 1 Mb/s

– RF: Radio fréquences sans filRF: Radio fréquences, sans fil– IP: Internet Protocol– IPv4/IPv6

Intellectual propertyIPv4/IPv6

20/04/20104


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Rappels

(2/2)(2/2)

PLRTSPA !• PLRTSPA !– P: grandeur physique

L: structure des données– L: structure des données– R: organisation réseaux– T: niv. processus / prog: . p ocessus / p og– S: transactions– P: formatage en octets

A tili ti– A: utilisation

20/04/20105


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Domotique

c’est quoi?c’est quoi?

Wiki di • Wikipedia: La domotique est l’ensemble des techniques de l'électronique, de physique du bâtiment, d'automatismes de l'informatique et des d automatismes, de l informatique et des télécommunications utilisées dans les bâtiments. La domotique vise à apporter des fonctions de confort do o que se à appo e des o c o s de co o (optimisation de l'éclairage, du chauffage), de gestion d'énergie (programmation), de sécurité (comme les

l ) t d i ti ( l d alarmes) et de communication (comme les commandes à distance) que l'on peut retrouver dans les maisons, les hôtels les lieux publicshôtels, les lieux publics...

Vincent GUILLET, Institut PRISME 20/04/20106

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les thématiques

(1/2)(1/2)

Sé ité • Sécurité : – webcams, alarmes, détecteurs de présence et

d’ t l’i t édi i d’I t t t d’ouverture par l’intermédiaire d’Internet et des téléphones mobiles). i l l é d iét i– simuler la présence des propriétaires

• Confort :P ti d l’i t ll ti– Programmation de l’installation

• Lumière, ouvrant, chauffage et autres• Dans le bon timing• Dans le bon timing

20/04/20107


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les thématiques

(2/2)(2/2)

É i • Économies :– Contrôle

D l l iè f ti d l l i ité• De la lumière en fonction de la luminosité• Du chauffage en fonction des apports

– four, fenêtre / portefour, fenêtre / porte• Des ouvrants par l’alarme• …

20/04/20108


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le partage

d’informationsTélésurveillance / alarmeVoix / WebRadio

d’informationsTélésurveillance / alarmeVoix / WebRadio

NavigationVidéo / VOD

Navigation Internet(Protocole … IP!)

Télémétrie / Domotique

20/04/20109


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Internet ?e e ?

N li ité à l’ADSL !• Non limitée à l’ADSL !– Fournisseur d’accès sans fil

Wifi• Wifi• GSM/GPRS/EDGE/3G/3G+/4G• SatelliteSatellite

– FAI sur câble• Le câble ! (Noos/Numéricâble etc…)( / )• CPL • Fiber To the Home !

St d d d f it d t l (IP 4/IP 6)• Standards de fait des protocoles (IPv4/IPv6)

20/04/201010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Historique de la dom.s o que de a do .

T h l i é i t l ( )• Technologies expérimentales (de garage ?)• Début officiel vers 1980

– Miniaturisation (puce électronique)– Minitel , Modem (56kps), RNIS (64 kbps)

• Moitié des 90’s– Technologies de « luxe » rendue accessible

• Années 2k– Besoins de sécurité (contexte géopolitique)( g )

• Années 2010-2015– Les économies d’énergiesg

20/04/201011


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Aujourd’huiujou d u• Les produits

– Commandes centralisées– complexité en fonction du nombre de capteurs à observer– complexité en fonction du nombre d’appareils à piloter– complexité en fonction du nombre d appareils à piloter

– RF:– ZigBee …– bandes ISM (Libres) …

– Paires cuivre:– KNX– KNX– Ligne téléphonique– Ethernet

CPL:– CPL:– Standards: X10, LonTalk– Les « bandes larges »g– Propriétaires: Delta dore, Legrand

20/04/201012


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les contraintes

de la domotiquede la domotique

S é ifi ti t h i• Spécifications techniques– Les ordres de grandeurs

Paramètres Latence (max) Distance Débit

Metering > qlq sec 0.1 à qlqs Km Qlqs octets/s

Contrôle/commande Qlqs 1/100 sec Grande Qlqs b/s

VoIP Qlqs 1/10 sec ? Qlq kb/s

TVoIP (SD) Constante ? 4 Mb/s

TVoIP (HD) Constante ? 20 Mb/s

20/04/201013


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique La câblage d’un habitata câb age d u ab a

• Norme NF C15-100• Norme NF C15 100– Amendement n°2, novembre 2008– TéléphoneTéléphone– RJ45

20/04/201014


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les instances de

normalisationnormalisation

20/04/201015


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Perturbations, CEM

(1/2)(1/2)• CISPR 11

• Industrial, Scientific and Medical (ISM) Radio-Frequency Equipment -- Electromagnetic Disturbance Characteristics -- Limits and Methods of Measurement.

• CISPR 14• CISPR 14• Electromagnetic Compatibility -- Requirements for Household

Appliance, Electric Tools, and Similar Apparatus: 1) Emissions, 2) Immunity.y

• CISPR 22• Information Technology Equipment -- Radio Disturbance

Characteristics -- Limits and Methods of Measurement.CISPR 24• CISPR 24

• Information Technology Equipment -- Immunity characteristics --Limits and Methods of Measurement.

• CISPR 25• CISPR 25• Radio disturbance characteristics for the protection of receivers

used on board vehicles, boats, and on devices -- Limits and Methods of Measurement.Methods of Measurement.

20/04/201016


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Perturbations, CEM

(2/2)(2/2)• Rayonnement EM (CEM)

80

90

V) Classe A 40

50

m) Classe A

60

70

u (d

BμV

Classe A

Classe B 30u (d

BμV

/m

Classe B

0,1 1 10 3050

Fréquences (MHz) 30 100 100020

Fréquences (MHz)

a) Limite des perturbations conduites a) Limite des perturbations rayonnées à 10 m

20/04/201017


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique

Comment choisir une solution ?


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Dépendances à

l’infrastructurel’infrastructure

M té i d l’h bit t• Matériaux de l’habitat• Neuf: possibilité d’une installation libre• Rénovation: contraintes propres• Environnement

– Hygrométrie– pHp– Thermique– Electromagnétiqueg– …

• Coûts (matériel, installation)( )

20/04/201019



Domotique sur fils existants

Le fil pilote

S6-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Kezako ?e a o ?

T tt d d tili t • Transmettre des ordres en utilisant directement la tension secteur– Installation de câbles dédiés– Fondamentalement limitées à 2 ordres

é• ON: Présence du secteur• OFF: Absence du secteur

Comment transmettre plus d’ordres ?– Comment transmettre plus d ordres ?• Mixer les deux ordres principaux !

20/04/201021


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Technologies des ordresec o og es des o d es

D d li é b é d d i l• Des ordres normalisés basé sur deux ordres simples

Equivalent

OFF

tension

ON

• Pour transmettre davantage d’information pendant le temps Δt il faut augmenter leur nombre pendant le temps Δt, il faut augmenter leur nombre pendant Δt

• -> il faut augmenter la vitesse porteuse

20/04/201022


• -> il faut moduler

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Comment moduler en

numérique ?numérique ?• Modulation analogique

– -• Difficulté de la répétabilité par rapport au coût

N d té à l d ti d é h ll• Non adapté à la production grande échelle– +

• Performance souvent meilleure• Performance souvent meilleure• Contrainte de miniaturisation (bruit numérique)

• Modulation numériqueModulation numérique– Modulation type AM– Modulation type PSKModulation type PSK– Modulation type FSK

20/04/201023


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les bruits d’une

modulationmodulation

Obj tif d’ t i i• Objectif d’une transmission– Minimum de temps

M i d bit– Maximum de bits– La plus grande distance

C t i t d l d t i i• Contrainte du canal de transmission

M dèl– Modèle

20/04/201024


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Où est le problème

pour nous ?pour nous ?

T i i d’ b l l• Transmission d’un symbole complexe– Canal idéal

L b l é li é t i é (E li ) • Le symbole sera égalisé et corrigé (Equalizer) en fonction des valeurs estimées de α et β.

20/04/201025


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le bruit dans les

modulationsmodulations

L b it– Le bruit• Sources extérieures• Diaphonies• Diaphonies

Impact sur un symboley

20/04/201026


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Exemple avec un

symbole QPSKsymbole QPSK

Sans égalisation / correction Avec égalisation / correction

20/04/201027


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modulation AModu a o

OOKOOK

Patrice [email protected]://www.enseirb.fr/~kadioniket d’autres ….

20/04/201028


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modulation PSKodu a o S

M=2

20/04/201029


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modulation FSKodu a o S

U f é b l• Une fréquence par symbole

D: Débit binaire

20/04/201030


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique QAMQ

O él AM t PSK !• On mélange AM et PSK !

20/04/201031


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Exercicee c ce

C ti d’ dét t d • Conception d’un détecteur de passage par zéro– Présence secteur

• Contraintes– à base de composant actif/passif simple– Isolation optique (sécurité)

20/04/201032


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Idée de correctiondée de co ec o

A t f t• Avec transformateur

• Sans transformateurSans transformateur

Attention cette solution retarde les signaux

20/04/201033


Attention, cette solution retarde les signaux

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Performances des

technologies à fil pilotetechnologies à fil pilote• 1 ordre fondamental : 10 ms1 ordre fondamental : 10 ms• Si on mixe :

– 10 ms par ordre fondam10 ms par ordre fondam.• Contraintes du fil pilote

– câblage– câblage• Applications

Chauffage– Chauffage

20/04/201034




Le CPL

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Historiques o que

1950 T t f 10H P 10kW (télé l i ) • 1950 : Tests f=10Hz, P=10kW (télé-relais) • 1970 : RTE THT (Téléconduite)• 1975 : Système PULSADIS EDF 175Hz• 1978 : Domotique (X10, CeBUS, ...)q ( , , )• 1985 : Automotique (CAN-bus, LIN-bus, …)• 1996 : Informatique (PHY-MAC)1996 : Informatique (PHY MAC)• 2008 : Uniformisation des protocoles (P1901)•• …


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Comment ajouter un

réseau informatique ?réseau informatique ?

I t ll ti d’ é• Installation d’un réseau– d’une boucle

R t d i it à l’i t ll ti• Rupture du circuit à l’installation.– d’une étoile

• Câbles Ethernet• Câbles Ethernet• Ajout de switch / hub

– Il faut installer physiquement…Il faut installer physiquement…Pourquoi ne pas utiliser les liaisons e istantes dans les bâtiments ? existantes dans les bâtiments ? …

apparition des CPLs !20/04/2010

… apparition des CPLs !Vincent GUILLET, Institut PRISME

37

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Limitation aux câbles

secteurs ?secteurs ?

E i l• Equivalences– Câbles téléphone

H PNA• HomePNA– Câbles coaxiaux

• Le câble• Le câble– Câbles d’énergie DC

• Suppression de bus spécifiques dans les transportsSuppression de bus spécifiques dans les transports• DC-Bus

– « Encapsulation »• CAN-Bus, LIN-Bus …


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Limités à l’intérieur

des maisons (1/2)des maisons (1/2)

L i d t i• Les niveaux de tensions

20/04/201039


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Limités à l’intérieur

des maisons (2/2)des maisons (2/2)

D i I d / O td• Domaines Indoor / Outdoor– Les gammes de fréquences

Outdoor: f < 10MHzOutdoor: f < 10MHz

20/04/201040


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le CPL sur le secteure C su e sec eu• Principe

– Ajouter des signaux « hautes fréquences » sur le secteur (basse fréquence)

Respect normes générales– Respect normes générales• Pollution (CISPR-22, EN 55022)• Immunité (CISPR-24, EN 55024)


( , )

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le couplagee coup age

– Fonction• Mélanger signal et puissance• Mélanger signal et puissance

– Méthode de couplage• CapacitifCapacitif• Inductif

To To

C1 TX

To MAINS

To AFE

C2

R

Alimentation

20/04/201042


Couplage Communication

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Importance du couplage

(1)(1)• Transformateur

– Faible perte d’insertion– Large bande passante Lg p– Haute inductance

• Limitation de la saturation et des harmoniques

– MiniaturisationT h l i • Technologies nanocristallines

• Fragilité mécanique• Fragilité mécanique– Poids, température

• Fragilité électrique– Protection galvanique


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Importance du couplage

(2)(2)• Le circuit

– C doivent supporter les tensions du secteur– Protection du circuit analogiqueg q

• Ordre de grandeur des parasites ?– Adaptation d’impédance du couplage

• Comment Adapter R à la ligne de transmission ?

L

• Nécessité de connaissance du canal20/04/2010Vincent GUILLET, Institut PRISME

44

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Coupleur de phaseCoup eu de p ase• Simple… mais attention à la sécurité !

C d t t i t i t (X2)– Condensateur autocicatrisant (X2)

• formé d'un film plastique métallisé de part et d'autrel ' f l • lorsqu'un arc se forme, le diélectrique se perce mais la partie métallisée se vaporise partie métallisée se vaporise ce qui évite le court circuit entre les "deux plaques".

20/04/201045


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Protection des parasiteso ec o des pa as es• Filtres

– Bloque les parasites

• Transils / Diodes rapides

20/04/201046



Comment se propage l’information ?


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Théorie des lignes (1)éo e des g es ( )• Tronçons élémentaires d’un ligne

LR

v(z+dz)v(z)G C

z z+dz

( )( ) ⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−=

1

222

0

dr

d

rfR r

πσμμ d, r : dimensions du câble

ε0, εr : permittivitéμ μ : perméabilité

fRLin π2

= ( )rdArgL r

ex 2cosh0

πμμ

=

( )δt2 fCG

( ) ⎥⎦

⎢⎣ 12r

exin LLL +=

μ0,μr : perméabilitéσ : conductivité tan(δ) : effet de peau

( )δπ tan2 fCG =

( )rdArgC r

2cosh0επε

= Rappels: μ0 = 4 π *10 -7 H/m

G est une admittance (1/R)


G est une admittance (1/R)

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Théorie des lignes (2)

Taux de transmission :

éo e des g es ( )• Formalisme des lignes de transmission : Zc, γ

,

( ) ( )CfjGLfjR ⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅+= ππγ 22

( ) ( )CfjGLfjRZc ⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+= ππ 22,

• Zc : référence pour les réflexions / transmissions• γ : représente le phénomène de propagation par unité de longueur

( ) ( )

• Cas d’une ligne adaptéelill VVV ⋅−⋅−⋅− βαγZZ = charge la de bornesaux tension :

entréed'tension :l

O

VV

βαγ ⋅+= i• Cas désadapté

lilO

lOl eeVeVV == βαγ

cl ZZ =impedance load:lZ

2 Z⋅0ZZ L −

βαγ ⋅+= i

ϕρ it

trnT e

VV

⋅==Γ

0

02ZZ

Z

Lt +

⋅=ρ

φρ ir

refR e

VV

⋅==Γ

0

0

ZZZZ

L

Lr +=ρRéflexion: Transmission:

20/04/2010

ρ tinc

T Vrinc

R V

Vincent GUILLET, Institut PRISME49

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les approximationses app o a o s

LCfjZG

ZR C

C⋅⋅+

⋅+

⋅= πγ 2

22wCG <<

• Faibles pertes• Très faibles pertes

0#RGLCfj

ZR

C⋅⋅+

⋅= πγ 2

2

C

APPROXIMATIONSCLZC =

Faibles pertes 0#RG

C

LCfjZGR C ⋅⋅+⋅

+= πγ 2βαγ ⋅+= i

CZGR ⋅+=α

fjZC⋅

γ22

fkfk 21 +=α

183 10 −2 f rεπ

β =

22 CZ⋅fk3=β

20/04/2010

180 .3.10= smc

0cβ =


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Résultatsésu a s• Impédancep

• Zcâble ≈ 85 Ω (R2V)• indépendante de f

Ph

100 kHz

• Phase• Linéaire → k3• t ≈ 5 ns m 1• tpropagation ≈ 5 ns.m-1

• velocity factor ≈ 60 %• Atténuation• Atténuation

• ordre de grandeur– k1 ≈ 10 -10

– k2 ≈ 10 -6• Difficulté de mesures

20/04/2010

( Mesures pour 20 m [Liu05] )


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Matrice 1/2a ce /

M t i h i• Matrice chaine21 VBAV BA

2

2

1

1

IV

DCBA

IV

⋅= ( )DCBA

fTi =0

11

2 VBAV −

= 02

1

02

1 ==VI I

VBVVA

12 IDCI=

02

1

02

1

0202

22

22

==

==

==VI

VI

IID

VIC

20/04/201052


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Matrice chaine 2/2a ce c a e /• Impédances dans les matrices

DCZBAZZ

L

Lin +

+= 11

01

//

//Z

TZ =10

1 ZsérieTZsérie =DCZL + //Z

( )( ) ( )( ) ( )ll

lZlfT

C

L γγγγ

coshsinh1sinhcosh

=( ) ( ) ( )llZf

C

L γγ coshsinh1

• Produit matriciel• Produit matriciel

20/04/201053


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Contraintes des mesures

en hautes fréquencesen hautes fréquences• Interférences: effets de rayonnement

– forward effect cross talk (FEXT)

– near effect cross talk (NEXT)near effect cross talk (NEXT)

Favorise les communications sans conductions– Favorise les communications sans conductions– Augmente les perturbations– exemple: commutations de charges près de TVs, exemple: commutations de charges près de TVs,

radios, …20/04/2010Vincent GUILLET, Institut PRISME

54

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Mesure du canal (VNA)esu e du ca a ( )• Vector Network Analyzer

– Mesure des coefficient de Réflexion / Transmission

ϕρ it

inc

trnT e

VV

⋅==Γ0

0

ZZZZ

L

Lt +

−=ρ

φρ ir

i

refR e

VV

⋅==Γ0

0

ZZZZ

S

Sr +

−=ρ

– Problème:mesures de Zc et α mélangés,β biaisé (Zc considéré réel),

incV[Agilent]

β biaisé (Zc considéré réel),difficulté de la calibration


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Mesure du canal

(Z mètre)(Z-mètre)• Impédance - mètre

– Impédance d’entrée du câble en fonction de la fréquence

• Sortie circuit ouvert• Sortie circuit ouvert• Sortie court-circuitée

ZZZ =

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

= − ShortedcZharctan1γ

ShortedcOpenedcC ZZZ −− ⋅=

• Permet de mesurer tous les

⎟⎠

⎜⎝ −OpenedcZ

hl

arctanγ

Permet de mesurer tous les paramètres [Agilent]


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Mesure du canal: TDResu e du ca a :

• On se place dans le 1 2On se place dans le domaine temporel

• Cas simple• Cas simple…– une seule longueur de

ligne

3

ligne– désadapté

• … et dans notre cas ?


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Retour au concret…e ou au co c e …

C l• Canal– de type étoile

d l i bl– de longueur variable– à charges désadaptées

• charges inductives (moteurs )• charges inductives (moteurs,… )• résistives non pures (radiateurs,…)• et actives !e ac es !

– géométries contraintes• passages des câbles

• Conséquences…– Multi-trajetj


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modèle du canal

Approche topologiqueApproche topologique

è é• Modèle déterministe [Galli06]

Utilisation de paramètres – Utilisation de paramètres connus (α, β, r, D, l, … )

– Basé sur les transmissions de liligne

• Besoins de connaissances– Signaux conduis par le g p

câble– Signaux rayonnés dans l’air

(Géométrie spatiale)(Géométrie spatiale)


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Impédance vue de

l’émetteurl’émetteurNé i l’i t f • Nécessaire pour l’interfaçage électronique

• On utilise le principe inverseOn utilise le principe inverse– Impédance ramenée vers

l’émetteur en utilisant les paramètres de propagations de paramètres de propagations de la ligne ( ) ( ) ( )

( ) ( )lfZZlZfZZfZ

LC

CLCin γ

γtanhtanh⋅+⋅+

= ( ) ( )LC

L’i éd d l’é tt dé d d lL’impédance vue de l’émetteur dépend du canal



Après la propagationAprès la propagation,les perturbations !


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modèle du canal:

le bruit de fondle bruit de fond• Classification [Zimm00][ ]• Localisé en fréquence (1)• DSP(f) = a+b fc (W/Hz)

è i i• Problème d’estimation des paramètres a, b et c

• Lié à :• Lié à :– H(f)

-80

-70 Bruit mesuréBruit de fond estimé

-100

-90

80

SP

(dB

m/H

z)

Bruit de fond estimé

40.67 MHz

5.52 MHz RFID (13,56 MHz)

0 10 20 30 40 50-130

-120

-110DS


Fréquence (MHz)

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le bruit de fonde b u de o d

Mesures effectuées à l’institut PRISME

-70

-90

-80

m/H

z)

Bruit mesuréSpectre du bruit minimumBruit de fond estimé

1 MHz

-120

-110

-100

DS

P (d

Bm

0 10 20 30 40 50-130

Fréquence (MHz)

Cyclo-stationnarité

[ISPLC 2010]

20/04/201063


[ S C 0 0]

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modèle de canal:

Les brouilleursLes brouilleurs• Localisé en fréquence (2)

• Ai=? , fi=? , φi=?, n=?Variables

Nn(f)=Σ Ai.sin(2πfit+φi)

– Variables …• Lié à l’activité humaine


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Modèle de canal:

PerturbationsPerturbations

• Localisé en temps (3,4,5) [Chan89]

• 3 paramètres– Durée

I t i é– Inter-arrivée– Pseudo-période Mesures PRISME/ISS

Ch01: 20 mV / div50 µs / div


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Méthode d’analyse (1)é ode d a a yse ( )

P t b ti f é ti ll• Perturbations fréquentielles– Densité Spectrale de Puissance (PSD)

PSD(f) l déli ti d b it d f d• PSD(f) pour la modélisation du bruit de fond

PSD sur les bruits impulsifs augmente fortement le bruit de fond→ erreur sur la mesure du bruit→ il faut synchroniser les mesures (cyclostationnarité)


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Méthode d’analyse (2)é ode d a a yse ( )

Sé ti d b it • Séparation des bruits impulsionnels

Test du Chi² (erreur de la – Test du Chi² (erreur de la distribution sur une distribution de référence)d s bu o de é é e ce)

– Sliding: complexe et couteux à intégrerDéfi iti d l di t ib ti – Définition de la distribution du bruit de fond subjective

• Dépend des critères de Dépend des critères de séparation du bruit de fond


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les sources connueses sou ces co ues

Dé d h• Découpage de phase– Hacheurs : fréquence haute > 10kHZ,

G d t dé à 50 H– Gradateurs : découpage à 50 Hz,• Reconstruction de phase

– Variateurs de moteur : 0-200Hz– Onduleurs : 50 Hz,

à i• Moteurs à balais:– création d’arc (donc de décharges)

• Interrupteurs*– commutation apériodique asynchrone

20/04/201068


InterrogationInterrogationGénéralités sur le canal (CPL,..)


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Corrigé (1/3)Co gé ( /3)

Phé è ff t t i ti• Phénomènes affectant une communication– Atténuation du canal (pertes)

Dé h d l ( t d d l li )– Déphasage du canal (retard de la ligne)– Les perturbations extérieures (bruits)

Di t i ( i it d t ti ESD CEM )– Distorsions (circuit de protection: ESD, CEM,…)

de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Corrigé (2/3)Co gé ( /3)

Fonction de transfert du canal

Sources de perturbations du canalpe u ba o s du ca a

20/04/201071


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique CorrigéCo gé

Qu’est ce qu’un canal de transmission ?Qu’est-ce qu’un canal de transmission ?

Modèle général d’un canal de transmission

20/04/201072


Passons à la communication…


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Schéma de principe

d’un modem CPLd’un modem CPL



Le CPL à porteuse unique

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Deux types de CPL

bien distinctbien distinct

B débit• Bas débit– Mono-porteuse

N EN 50065– Norme EN-50065– Modulation simple

• Haut débit– Multi-porteuse– Norme ?

• CENELEC SC-205A• IEEE P1901

Modulation adaptative– Modulation adaptative20/04/2010Vincent GUILLET, Institut PRISME

76



Le KNX

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le KNXe

R d’ i ti d bâti t• Regroup. d’associations du bâtiment• CENELEC EN 50090• ISO/IEC 14543-3 (novembre 2006)• Différents media de comm.

– Twisted pair (KNX TP)– Power Line (KNX PL)( )– Radio frequency (KNX RF)– IP/Ethernet (KNX IP)( )

20/04/201078


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique KNX-TP• Paire de fil, alimentés (21-29 Vdc)• Datarate: • Datarate:

• 9600 bps

– Demande une maîtrise de l’installationl installation

20/04/201079


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique KNX-PL

O ti tili t l âbl d’é i• Option utilisant les câbles d’énergie• Débit de données

1 2 kb 90 125kH (K PL110)• 1.2 kbps: 90–125kHz (Konnex PL110)• 2.4 kbps: 125-140kHz (Konnex PL131)

20/04/201080




LonTalk

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Organisation d’une

trametrame

fporteuse = 131 579 HzSymboles modulés en BPSKf = f /24 = 5 482 Hzfbaudrate = fporteuse/24 = 5 482 HzTrame sous forme de mots de 11 bits : 8 bits + Parité + ‘0’ + ‘1’CRC: CRC-16 CCIT

20/04/201082


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique La paritéa pa é

• Détecte un nombre d’erreur impairDétecte un nombre d erreur impair• La parité Pair/impair

– Pair: Si nombre de 1 pair P = ‘1’ sinon P=0Pair: Si nombre de 1 pair, P 1 , sinon P 0– Impair: Si nombre de ‘1’ impair, P = ‘1’, sinon P=0

• Calcul simple et rapide par une porte XORCalcul simple et rapide par une porte XOR

20/04/201083


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique (Des parités à l’infini !)( es pa és à !)

• Calcul d’integrité des données rapides• Calcul d integrité des données rapides• Les « Low Density Parity Check » (LDPC)

C éé R b t H G l– Créés par Robert H. Galager– Basé sur un calcul matriciel

P iété d l t i • Propriété de la matrice: – Densité faible

C l l di t– Calcul direct• Turbo codes

C l l ité tif– Calculs itératifs– Critère d’arrêt

20/04/201084


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le CRC-16e C C 6

C l l (htt //d ft d l )• Calcul (http://dvsoft.developpez.com)– Basé sur une division modulo 2

U l ô– Un polynôme

• Table de correspondanceP t l l di t– Permet un « calcul » direct

20/04/201085




Le CPL multi-porteuses

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Rappels sur la TFappe s su a

t• t→xn• f→Xk

• fonctions paires/impairesTF d’ f ti i ( ét i l – TF d’une fonction paire (symétrique pour les temps positifs et négatifs) est purement réelleTF d' f ti i i t t – TF d'une fonction impaire est purement imaginaire.

20/04/201087



20/04/201088


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Le multiplexage

fréquentielfréquentiel

Wi d d OFDM• Windowed-OFDM– Orthogonal Frequency

Di i i M lti l iDivision Multiplexing– Juxtaposition de porteuses

l é ti (FFT)par une seule opération (FFT)– Adapté aux canaux sélectif

f éen fréquence


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique OFDMO• Schéma général

20/04/201090


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique OFDMO

Z l’é tt Déplacement du spectre• Zoom sur l’émetteur Déplacement du spectre (optionnel)

• En CPL, sortie directe en Re


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique L’OFDMO

L é t• Le récepteur

Déplacement du spectre (optionnel)( p )


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Intervalle de gardee a e de ga de• Compense le temps maximal de retard de la transmission• Supprime les interférence inter-blocs

NFFT

Nwin

NN NN < NFFTNGI

recopie

NwinxNSYM <=


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Performances de

l’OFDMl’OFDM

S ibl b it i l if• Sensible aux bruits impulsifs• Adapté aux canaux sélectifs

– Extinction des canaux interdits• Radio amateurs,

b d ilit i • bandes militaires, …– Insertion de canaux pilotes

• Bit loading• Bit loading• Modulation des sous-porteuses en fonction du SNR


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les paramètres de

l’OFDMl’OFDM

Canaux pilotes ‘1’

Canaux interdits ‘0’Bandwidth

ΔF=Fs/(2*NFFT)( )

Tsym=Nwin/Fs

QoSTrames Système

20/04/2010

Système


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Signaux réelsS g au ée s

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Solution PRIME

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Technologieec o og e

20/04/201098



20/04/201099




Solution G3-PLC

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Retenu par ErDFe e u pa

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de l’université d’OrléansÉcole polytechnique La trame G3-PLCa a e G3 C

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de l’université d’OrléansÉcole polytechnique IPv6 / 6LowPan6 / 6 o a

RFC 4944• RFC 4944• Transmission of IPv6 Packets over IEEE

802.15.4 Networks

• To continue …

20/04/2010103




Solution PLC: Résumé

A3 EO-2010


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les produits CPLes p odu s C

E b débit • En bas débit: • KNX, X10• LonWORKS LonTalk• LonWORKS, LonTalk• Homeplug Automation (2006), Smart Energy (2008)

– Non détaillé dans ce cours

• En haut débitEn haut débit• UPA (Spécialisé dans les passerelles d’accés, FTTH)• Homeplug (90% du marché)• HD-PLC (Panasonic…)


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Les gammeses ga es

B débit• Bas débit– Relevé de donnée, contrôle / commande

• HD 14 MBPS– Transfert de donnée (Sans QoS)

• HD 85 MBPS– Flux vidéo Simple Définition / Rsx domestique

• HD 200 MBPS– Flux vidéo Haute Définition / Rsx pro



References[Ch 89] M H L CHAN R W DONALDSON “A lit d idth i t i l di t ib ti f [Chan89] M.H.L. CHAN, R.W. DONALDSON, “Amplitude, width, interarrival distributions for

noise impulses on intrabuilding power line communication networks”, IEEE Trans. Electr. Comp., vol. 31, n°3, pp 320-323, Aug. 1989

[Zi 00] M ZIMMERMAN K DOSTERT “A l i f b db d i i i li [Zimm00] M. ZIMMERMAN, K. DOSTERT, “An analysis of broadband noise scenario in powerline networks”, Proc. ISPLC2000, Limerick, Ireland, pp 131-138, Apr. 2000

[Galli01] T. BANWELL, S. GALLI, “A new approach to the modeling of the transfert function of th li h l” ISPLC2001 M l S d A 2001the power line channel”, ISPLC2001, Malmo, Sweden, Apr. 2001

[Katayama03] Cyclostationarity…

[Li 05] E LIU Y GAO O BILAL T KORHONEN “ Broadband characteri ation of indoor [Liu05] E. LIU, Y. GAO, O. BILAL, T. KORHONEN, “ Broadband characterization of indoor powerline channel”, ISPLC2004, Zaragoza, Spain, Apr. 2004

[Umeh06] D. UMEHARA, S. HIRATA, S. DENNO, Y. MORIHIRO, “Modeling of impulsive noise for indoor broadband power line communications” ISITA2006 Seoul Korea Nov 2006indoor broadband power line communications”, ISITA2006, Seoul, Korea, Nov. 2006

[…]

Présentations de Xavier Carcelles (EDF R&D) Laboratoire des Applications Numériques

20/04/2010Vincent GUILLET, Institut PRISME

Présentations de Xavier Carcelles (EDF R&D), Laboratoire des Applications Numériques, …

107


•Questions…Q

20/04/2010108


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Exercicese c ces

CPL Haut débit (1,6MHz-30MHz)( , )

CPL Bas débit (9kHz-148,5KHz)

Radio amateur (voir tableau)

Modélisme + CB (≈ 27MHz)

VDSL2 (3,4KHz-30MHz)

ADSL2+ (3.4KHz-2.2MHz)

RFID (13,56 MHz)

( )

1 3020100.01 0.1

ADSL2 (3.4KHz 2.2MHz)

ADSL (3.4KHz-1.1MHz)

Fréquences (MHz)

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de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Exercicese c ces

-30 40

-50

-40

gnal

(dB

)

Bandes notchées (Radio-amateur, ...)

-60

-50

-40

e (d

Bm

/Hz)

70

-60

Pui

ssan

ce d

u si

90

-80

-70

ssan

ce s

pect

ral

0 5 10 15 20 25 30-80

-70

Fréquences (MHz)

P

0 5 10 15 20 25 30 35 Fs/2-100

-90

Fréquence (MHz)

Pui

20/04/2010110



• 3072 points pour la FFT (DC-37,5 MHz)• DeltaF ?DeltaF ?

• Nb porteuses effectives 1,8-30 MHz ?• 4 MHz perdus sur les notchs• 4 MHz perdus sur les notchs

• Bandwidth réellement utile ?Q id des pert rbations ?• Quid des perturbations ?

20/04/2010111


de l’université d’OrléansÉcole polytechnique Référencesé é e ces• http://fr.wikipedia.org/wiki/Domotique• http://www.maison-domotique.com/• http://www.cpl-france.org/p // p g/• http://www.lanpark.eu/• Les normalisationsLes normalisations

– ISO, CENELEC, AFNOR• Les organisations• Les organisations

– Homeplug, UPA, CEPCA, LonWorks• Les sites des fabricants• Les sites des fabricants

– Maxim, Echelon, ST, Cypress, TI, Watteco

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Documents

Cours Domotique 10