Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
La présente invention concerne un procédé de transmission à
une station centrale de signaux engendrés par un capteur et un
dispositif pour sa mise en oeuvre.
Le procédé trouve ses applications notamment dans le
domaine de la transmission de signaux acoustiques ou sismiques et
il s'avère particulièrement avantageux quand il faut centraliser
dans une même station d'enregistrement des signaux captés par un
dispositif de réception comportant un nombre relativement
important de capteurs comme on en rencontre fréquemment dans
le domaine de la prospection sismique par exemple.
Les signaux captés par des capteurs sismiques (géophones ou
hydrophones) ou des récepteurs sismiques constitués de plusieurs
capteurs interconnectés, peuvent être transmis à une station
d'enregistrement sous une forme analogique par des lignes ou
câbles conducteurs. Quand les distances de transmission sont
relativement grandes, on préfère généralement utiliser des
dispositifs d'acquisition installés à proximité des capteurs ou
récepteurs qui sont adaptés à échantillonner et numériser les
signaux reçus, à les mémoriser et à les transmettre à la station
centrale sur des voies de transmission spécifiques ou communes à
plusieurs dispositifs d'acquisition. Les mots numériques produits
sont généralement codés pour leur transmission. On leur applique
par exemple un code bipolaire permettant de transmettre à la fois
les données et un signal d'horloge (codes de type A.IVi.I, HDB3,
Ivlanchester etc), et on les intègre dans une trame de transmission
associés à des préfixes ou suffixes d'identification, de détection
d'erreurs ou de synchronisation. Pour ces conversions, on peut
utiliser notamment des convertisseurs analogiques-numériques du
type à sur-échantillonnage comportant la combinaison d'un
modulateur et d'un filtre numérique. Le modulateur est du type
delta-sigma et produit en série des mots numériques à faible
résolution sous la forme d'un train de bits continu (bitstream) à une
fréquence d'échantillonnage très élevée (256 KHz par exemple), ces
mots ayant une amplitude moyenne variant au cours du temps
proportionnellement à l'amplitude des signaux analogiques
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appliqués. Typiquement. ces mots comportent un seul bit. Le filtre
numérique est connecté à la sortie du modulateur. Il reçoit de celui-
ci un train de bits (.bt produit des niots nurnériques avec une
résolution élevée (de 16 à 24bit5 par exemple) et une fréquence
beaucoup plus faible, opération connue sous le nom de décimation.
Des convertisseurs de ce type sont décrits par exemple dans les
brevets US No. 4 866 442, 4 943 807, 4 994 804 ou la demaride de
brevet FR 90/11.527.
La conversion des signaux analogiques en mots numériques
ie peut dans certains cas être effectuée localement, au voisinage
immédiat des capteurs ou récepteurs. Dans le brevet
US No. 5 051 799 par exemple, on clécrit un dispositif de
transmission où des signaux analogiques sont appliqués à un
convertisseur local du type à sur-échantillonnage comportant un
modulateur associé à un filtre numérique décirnateur et où les mots
numériques issus du c.onvertisseur sont érnis sur une voie de
transmission, inclus dans une trame de transmission avec
adjonction de bits de c orrection d'erreurs.
Quel que soit le ~,.ype de convertisseur utilisé, un module local
capable de faire de l'acquisition de signaux, de forniater les mots
numériques produits par conversion analogique-numérique et de
transmettre chaque trarne f'ormée est relativement onéreux et sa
'0
consommation électrique est relativement importante.
préser-.te :invernY.ic) n vise un procédé pour
simplifier une trarisiilissiori de signaux analogiques reçus
par des capt;eurs à un~_ station distante, comprenant
associ.er à chaq~.ze capteur ;an modulateur local pour
sur-échantillonner c_,haque signal analogique à transmettre
et effectuer une c. n r~._ si.on arialoque -numÉrique de chaque
signal analogique sux-échantillonné en mots numériques à
faible résolution er_ appl:iquarlt modulat:eur local;
30 transmettr<_:~ de c:haqtile ~lo ~ulat~eur local à la
station distante ..rl signal d'horloge permettant une
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synchronisation de la station distante avec chaque
modulateur local;
transmettre en uri train de bits sur une voie de
transmissiorr sans fc~rniat.age les mots numériques à f:aible
résolution correspondant à chaque signal analogique; et
convertir, par un filtrage numérique à la station
distante, chaque trai_r de bits reçu en des mots numériques
de résolution élevée.
De préféYence, la transmission du signal
d'horloge es,:~ par exc.mple obtenue en codant chaque train de
bits par un signal d'horloge de façon à_le transmettre en
même temps que le train de bits, ce signal d'horloge
pouvant être distinct pour chaque modulateur local ou
produit pour plusieu.i-s modulateurs locaux (par un élément
de synchronisation ext:érieur).
La transmi:;sion du signal d'horloge peut encore
être obtenue en transmettant séparément chaque signal
d'horloge, par exemple depuis la station distante vers
chaque modulateur loc,a:l.
La présentE:: invention vise aussi un dispositif
pour simplifier une transmission de signaux analogiques
reçus par des capteurs à une stati.on distante, comprenant:
au moins u~: tïlodule éiectronique local comprenant
en combinaison ui-z moc.ulateur pour= sur-échant:illonner chaque
signal analo(gue et (,or.lvertir_ chaque s3ignal analogue sur-
échantillonnc. en des mots numériques à faible résolution,
et un émetteur pour t-ransmettre les mots numériques à
faible résolu.tion en ~_u} train de bits sur au moins une voie
de transmission;
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_3 a
au moins tin élément de synchronisation produisant
un signal d'horloge permettant une syrichronisation de
chaque modulateur avec la station distante; et
au moins un module de réception dans la station
distante, i_ncluant un récepteur pour recevoir les mots
numériques <à faible résolution transmis en un train de bits
et un filtre numérir~~.ze couplé au réc:epteur pour convertir
chaque train de bits reçu en des mots numériques à
résolution élevée.
Ori peut associer un élément de codage à chaque
modulateur pour app~:.i.quer à chaque train de bits un codage
permettant la transmission en même temps que lui, d'un
signal d'horloge et au moins un élément de décodage
complémentaire de l'élément de codage dans la station
distante.
De préférence, le dispositif comporte par exemple
un élément de synchronisation pour engendrer un signal
d'horloge, cet élément étant associé à chaque modulateur
local ou bien commun pour plusieurs rnodulateurs locaux, ou
bien encore associé à la station distante. Dans ce cas, le
dispositif comporte en outre au moiris une deuxième voie de
transmissiori distinc.te de la première voie .~our
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4
relier l'élément de synchronisation dans la station distante à
plusieurs modulateurs locaux.
Dans le cas où les voies de transmission sont des lignes, le
dispositif peut comporter en outre des moyens d'isolement pour
transporter sur chaque ligne de transmission des courants
d'alimentation électrique de chaque module local.
Avec un telle répartition des fonctions, l'ensemble local de
numérisation est réduit. Il peut prendre place dans le boîtier même
des capteurs et sa consommation électrique est faible, ce qui rend
possible une alimentation électrique par batterie. La transmission
est faite sans aucune opération de formatage contrairement aux
procédés connus. De ce fait, les bits successifs sont indépendants les
uns des autres et le filtrage numérique effectué sur chaque train de
bits (ou décimation), a pour effet de minimiser les incidents de
transmission dus aux parasites. On peut donc très facilement
constituer à des coûts intéressants des équipements complexes de
réception de signaux. La simplification des modules locaux de
numérisation rend possible à moindre coût un transfert à une
station centrale des signaux reçus individuellement par chacun des
capteurs. Une conséquence avantageuse est la possibilité offerte à
des opérateurs depuis la station centrale, de combiner à volonté les
signaux élémentaires et donc de changer à tout moment sans avoir
à se déplacer sur le terrain par exemple, les caractérïstiques d'un
dispositif de réception de signaux pour l'adapter à des conditions de
réception particulières.
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du
dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la
description ci-après de modes de réalisation décrits à titre
d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où :
- la Fig.1 montre schématiquement un exemple connu de
réalisation d'un dispositif de transmission de signaux numérisés;
- la Fig.2 montre un mode de réalisation de l'invention avec des
moyens de synchronisation internes à chaque module local;
- la Fig.3 niontre schématiquement une première variante du mode
précédent;
2~050~~
5-
- la Fig. 4 montre schématiquement une deuxième variante du
même mode de réalisation; et
- la Fig. 5 montre un agencement permettant, quand les voies de
transmission disponibles est une ligne, d'alimenter
électriquement des modules locaux associés aux capteurs.
Un procédé classique pour profiter des avantages d'une
transmission numérisée consiste (Fig.1) à associer à un capteur ou
un récepteur G tel qu'un géophone ou une chaîne d'acquisition
comportant un convertisseur analogique-numérique CAN de type à
sur-échantillonnage par exemple, associé à un élément de
synchronisation H. Les mots numériques issus du convertisseur CAN
sont appliqués à un circuit de formatage FC d'un type connu qui les
assemble par groupes de k mots ni, n2, ..., nk (k étant un nombre
entier quelconque déterminé) et adjoint à chaque groupe un préfixe
Px et un suffixe Sx d'identification et de reconnaissance de trame.
Chaque assemblage ainsi formaté, est ensuite codé par un circuit CD
avant d'être appliqué à la voie de transmission disponible V. La
chaîne de réception doit dans ce cas comporter, outre un décodeur
DCD, un circuit de déformatage DF pour restituer les mots
numériques.
Le dispositif selon l'invention comporte (Fig.2) un module
local ML associé à un capteur G. Ce module M comporte un circuit 1
d'adaptation des signaux issus d'un capteur G, constitué d'un
préamplificateur 2 et d'un filtre 3 par exemple. Après adaptation
par le circuit 1, les signaux analogiques sont appliqués à un
modulateur 4 de type delta-sigma par exemple produisant des mots
de 1 bit à une fréquence élevée F (de 256 kHz par exemple) définie
par un élément de synchronisation 5. On peut utiliser par exemple
un modulateur de type CS5323 fabriqué par la firme Crystal
Semiconductors. Le train de mots de 1 bit (bitstream) issus du
modulateur 4, est ici appliqué directement à un circuit de codage 6
appliquant un codage prédéfini permettant de transporter un signal
d'horloge en même temps que les signaux tel que le code HDB3, un
codage multi-niveaux, le code CMI-3 convenant pour une
transmission de type optique etc. Les trains de bits codés sont alors
6-
appliquées à une voie de transmission V par l'intermédiaire d'un
émetteur 7 adapté à cette voie : modulateur hertzien, diode électro-
luminescente etc.
Le module central MC recevant les signaux comporte une
chaîne de réception comprenant dans ce cas, un récepteur 8 et un
circuit de décodage 9 complémentaire du circuit de codage 6. Les
trains de bits décodés sont alors appliqués à un filtre numérique 10
qui effectue une décimation pour produire des mots numériques de
résolution plus élevée (16 ou 24 bits) avec une fréquence
d'échantillonnage f très inférieure à la fréquence F de sur-
échantillonnage, ces mots numériques étant rangés dans une
mémoire 11. On peut utiliser par exemple des filtres numériques de
type CS5322 fabriqués par Crystal Semiconductors ou bien de type
TMC2242 fabriqué par la firme TRW.
Suivant la variante de la Fig. 3, on utilise un ou plusieurs
éléments de synchronisation 12 analogues à l'élément 5, extérieurs
aux modules locaux, chaque élément étant associé à plusieurs
modules ML1, ML2,..., MLk.
Suivant une autre variante schémiatisée à la Fig. 4, on peut
utiliser encore un élément de synchronisation 13 analogue à
l'élément 5 précédent mais disposé dans la station distante CU. Dans
ce cas, le signal d'horloge produit par cet élément de
synchronisation central 13 peut être transmis par une ligne
distincte 14 à un élément de distribution 15 placé au voisinage de
plusieurs capteurs G 1 à Gk qui le distribue par des conducteurs 16
aux différents modules locaux associés 1VIL1 à MLk.
On peut encore ajouter à chaque voie de transmission un
conducteur électrique supplémentaire pour le transfert séparé du
signal d'horloge commun produit dans la station CU, vers chaque
module local.
Quand on utilise une ligne de transmission pour connecter
chaque module local M à la station éloignée, on peut alimenter
électriquement ce dernier par la même ligne de la manière
indiquée à la Fig.5 par exemple. Le module central MC et le module
local ML correspondant sont connectés à la voie de transmission V
21~5~~3
_7_
qui les relie par l'intermédiaire de transformateurs de ligne 17, 18,
ce qui permet à la station centrale de connecter une source
électrique 19 qui alimente directement un dispositif régulateur de
tension 20 à l'autre extrémité de la ligne, qui produit des tensions
d'alimentation pour les circuits du module local ML.
Les modes de réalisation qui ont été décrits comportent des
moyens de décodage 6, 9 permettant la transmission sur les voies
de transmission V1,... Vk de signaux d'horloge en même temps que
les différents trains de bits. Ces moyens sont utiles et généralement
employés pour minimiser les erreurs de transmission sur les voies
de transmission relativement longues. On ne sortirait pas toutefois
du cadre de l'invention en supprimant ces moyens de codage et de
décodage quand la distance de transmission est suffisamment
faible.
On ne sortirait pas non plus du cadre de l'invention en
remplaçant les filtres numériques spécialisés 10 par un ou
plusieurs processeurs du type DSP fabriqués par exemple par la
firme Analog Device sous la référence 2205, ces processeurs étant
programmés pour effectuer les filtrages précédemment décrits.
