Transmission de données par Courants Porteurs en Ligne sur un

UNIVERSITÉ DE NANTES
Ecole polytechnique de l’université de Nantes
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ÉCOLE DOCTORALE
SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INFORMATION
ET MATHEMATIQUES
N° attribué par la bibliothèque
Année 2010
Transmission de données
par Courants Porteurs en Ligne
sur un réseau Modulé en Largeur d'Impulsion
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THÈSE DE DOCTORAT
Discipline : Electronique
Spécialité : Génie Electrique
Présentée
et soutenue publiquement par
Marc-Anthony MANNAH
le 24 septembre 2010, devant le jury ci-dessous
Président
Rapporteurs
Examinateurs
Bernard MULTON, Professeur, ENS Cachan, SATIE, Bruz
Philippe LADOUX, Professeur, Laplace, INP ENSEEIHT, Université Toulouse
Fabienne NOUVEL-UZEL, Maître de Conférences/HDR, IETR, INSA Rennes
Christophe BATARD, Maître de Conférences, IREENA, IUT Nantes
Nicolas GINOT, Maître de Conférences, IREENA, IUT Nantes
Mohamed MACHMOUM, Professeur, IREENA, Polytech’Nantes
Directeur de thèse : Mohamed MACHMOUM
Encadrants : Christophe BATARD, Nicolas GINOT
Laboratoire IREENA EA1770
ED 503-094

Transmission de données par CPL sur réseaux MLI
1
TABLE DE MATIERES
Remerciements..........................................................................5
Avant propos..............................................................................7
Liste des sigles et symboles utilisés ........................................11
Chap 1 Technologie des Courants Porteurs en Ligne.............13
1. Aperçu historique...................................................................................................13
2. Les CPL comme moyen de télécommunication....................................................15
2.1. Principe de fonctionnement et caractéristiques .....................................................15
2.2. Applications et débits nécessaires .........................................................................17
2.3. Cadre normatif et standards...................................................................................17
3. Canal d’énergie et de communication ...................................................................18
3.1. Canal de communication à topologie variable.......................................................18
3.2. Canal d’énergie et bruit associé.............................................................................19
3.3. Les paramètres essentiels d’une ligne de transmission..........................................21
4. Transmission et couplage des données par courants porteurs...............................25
4.1. Généralités sur les modulations QAM et multi porteuses.....................................25
4.2. Modulation multi-porteuse OFDM........................................................................29
4.3. Couplage du signal CPL au réseau électrique .......................................................32
5. Perspectives d’application des CPL ......................................................................33
5.1. Les applications embarquées.................................................................................33
5.2. Les applications industrielles.................................................................................34
6. Conclusion.............................................................................................................35
Chap 2 Exploitation et analyse d’un modem CPL domestique
sur un réseau MLI......................................................37
1. Introduction............................................................................................................37
2. Positionnement du problème .................................................................................38
3. Onduleur de puissance...........................................................................................40
3.1. Principe de fonctionnement...................................................................................40
3.2. Analyse de la commutation ...................................................................................42
3.3. Influence du courant de phase sur la commutation ...............................................43
3.4. Spectre du signal MLI en sortie de l’onduleur ......................................................48

M. A. Mannah
2
4. Mise en œuvre d’un modem CPL domestique sur un réseau MLI........................50
4.1. Caractéristiques du signal en sortie des modems CPL..........................................51
4.2. Communication sur un réseau MLI.......................................................................52
4.2.1. Essais avec onduleur hors tension sans découpage......................................53
4.2.2. Essai avec onduleur sous tension et avec découpage...................................55
4.2.3. Limites de Fonctionnement..........................................................................56
4.3. Conclusion.............................................................................................................57
5. Hypothèses des causes de disfonctionnement .......................................................58
5.1. Interface de couplage.............................................................................................58
5.2. Comportement du coupleur sur un réseau MLI.....................................................59
5.2.1. Comportement théorique..............................................................................59
5.2.2. Validation expérimentale..............................................................................62
6. Filtrage du réseau MLI ..........................................................................................64
6.1. Structure du filtre MLI...........................................................................................64
6.2. Mesures avec du réseau MLI.................................................................................66
6.3. Amélioration et contraintes....................................................................................67
7. Conclusion.............................................................................................................67
Chap 3 Etude d’un coupleur CPL pour réseaux MLI................69
1. Cahier des Charges................................................................................................69
1.1. Synoptique général des coupleurs .........................................................................69
1.1.1. Le transmetteur.............................................................................................70
1.1.2. Le récepteur..................................................................................................71
1.2. Discussion sur l’architecture électronique des Coupleurs.....................................71
1.2.1. Filtrage passe bande......................................................................................72
1.2.2. Isolation galvanique......................................................................................74
1.2.3. Amplification................................................................................................75
2. Outils de modélisation : intérêts du formalisme des paramètres de répartition.....75
2.1. La méthode de chaînes...........................................................................................76
2.2. La méthode de répartition......................................................................................77
2.2.1. Principe des paramètres S.............................................................................77
2.2.2. Interprétation des paramètres S ....................................................................79
2.3. Conclusion.............................................................................................................81
3. Caractérisation et implémentation du ‘Transmetteur’ et du ‘Récepteur’ .............82
3.1. Filtrage passe bande et isolation galvanique .........................................................82
3.2. Amplification.........................................................................................................88
3.3. Caractéristiques du transmetteur............................................................................91
3.4. Caractéristiques du récepteur.................................................................................92
4. Caractérisation de la chaîne complète ...................................................................93
4.1. Caractérisation du câble de puissance ...................................................................94
4.2. Canal de transmission sans perturbation ...............................................................97
5. Conclusion...........................................................................................................100

Transmission de données par CPL sur réseaux MLI
3
Chap 4 Validation de la transmission de données sur un réseau
MLI...........................................................................101
1. Caractérisation de l’information à transmettre....................................................101
1.1. Estimation des débits pour un asservissement de position ou de vitesse ............102
1.1.1. Différentes technologies rencontrées..........................................................102
1.1.2. Débit nécessaire pour une information de position....................................104
1.1.3. Synthèse......................................................................................................105
1.2. Choix d’une modulation appropriée....................................................................106
1.3. Technique de modulation QPSK.........................................................................108
1.3.1. Principe de la modulation...........................................................................108
1.3.2. Principe de la démodulation.......................................................................111
2. Génération et transmission des données..............................................................111
2.1. Génération du train binaire..................................................................................111
2.2. Modulateur QPSK ...............................................................................................112
2.3. Démodulateur QPSK...........................................................................................114
2.4. Ensemble modulateur démodulateur ...................................................................115
3. Validation de la communication..........................................................................117
3.1. Transmission de données sous V
DC
= 0 V...........................................................119
3.2. Transmission de données sous V
DC
= 325 V.......................................................120
3.3. Conclusion...........................................................................................................121
4. Transmission de données à puissance réduite : Optimisation du niveau.............122
5. Conclusion générale.............................................................................................126
Conclusions et Perspectives..................................................127
Annexe 1 :..............................................................................131
Annexe 2 :..............................................................................135
Annexe 3 :..............................................................................137
Bibliographie...........................................................................139