FR3117603A1 - Multi-carrier reflectometry method and system taking into account signal attenuation and distortion - Google Patents

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Abstract

L’invention consiste en une méthode de pré-distorsion du signal avant son injection dans le câble de manière à prendre en compte les effets liés à l’atténuation et à la dispersion du signal ainsi que les effets liés au bruit de quantification de l’équipement de mesure. La pré-distorsion (800,801) consiste à appliquer une fonction d’amplification particulière en fréquence au signal dans le domaine fréquentiel de manière à amplifier les basses fréquences du signal avec un facteur dépendant du coefficient d’atténuation du signal dans le câble et à amplifier les hautes fréquences avec un niveau constant. Pour minimiser l’impact du bruit de quantification, le signal est décomposé (801) en une somme de signaux ayant chacun un niveau d’amplification constant dans une bande de fréquences donnée, les signaux étant injectés successivement dans le câble et les différentes intercorrélations réalisées sur les signaux réfléchis étant ensuite sommées. De cette manière, le bruit de quantification est moyenné et le rapport signal à bruit global est augmenté. Figure 8The invention consists of a method of pre-distorting the signal before it is injected into the cable so as to take into account the effects linked to the attenuation and dispersion of the signal as well as the effects linked to the quantization noise of the measuring equipment. Pre-distortion (800,801) consists in applying a particular frequency amplification function to the signal in the frequency domain so as to amplify the low frequencies of the signal with a factor depending on the attenuation coefficient of the signal in the cable and to amplify high frequencies with a constant level. To minimize the impact of quantization noise, the signal is decomposed (801) into a sum of signals each having a constant amplification level in a given frequency band, the signals being injected successively into the cable and the various intercorrelations carried out on the reflected signals being then summed. In this way, the quantization noise is averaged and the overall signal-to-noise ratio is increased. Figure 8

Description

Méthode et système de réflectométrie multi-porteuses avec prise en compte de l’atténuation et de la distorsion du signalMulti-carrier reflectometry method and system taking into account signal attenuation and distortion

L’invention concerne le domaine des systèmes de diagnostic filaires basés sur le principe de la réflectométrie pour identifier et caractériser des défauts électriques sur des câbles ou plus généralement des lignes de transmission. L’invention concerne plus précisément le domaine de la réflectométrie multi-porteuses qui utilise des signaux multi-porteuses générés à partir du principe de modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).The invention relates to the field of wired diagnostic systems based on the principle of reflectometry to identify and characterize electrical faults on cables or more generally transmission lines. The invention relates more specifically to the field of multi-carrier reflectometry which uses multi-carrier signals generated from the OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) modulation principle.

Les câbles sont omniprésents dans tous les systèmes électriques, pour l’alimentation ou la transmission d’information. Ces câbles sont soumis à des contraintes et peuvent être sujets à des défaillances. Il est donc nécessaire de pouvoir analyser leur état et d’apporter des informations sur la détection de défauts qui impactent ces câbles, ces informations incluant l’existence de défauts mais aussi leur localisation et leur type. L’analyse de défauts permet d’aider à la maintenance des câbles. Les méthodes de réflectométrie usuelles permettent ce type d’analyse.Cables are ubiquitous in all electrical systems, for power supply or information transmission. These cables are subject to stress and may be prone to failure. It is therefore necessary to be able to analyze their condition and provide information on the detection of faults that impact these cables, this information including the existence of faults but also their location and type. Fault analysis helps with cable maintenance. The usual reflectometry methods allow this type of analysis.

Les méthodes de réflectométrie utilisent un principe proche de celui du radar : un signal électrique, le signal de sonde ou signal de référence, est injecté en un ou plusieurs endroits du câble à tester. Le signal se propage dans le câble ou le réseau de câbles et renvoie une partie de son énergie lorsqu’il rencontre une discontinuité électrique. Une discontinuité électrique peut résulter, par exemple, d’un branchement, de la fin du câble ou d’un défaut ou plus généralement d’une rupture des conditions de propagation du signal dans le câble. Elle résulte d’un défaut qui modifie localement l’impédance caractéristique du câble en provoquant une discontinuité dans ses paramètres linéiques.Reflectometry methods use a principle similar to that of radar: an electrical signal, the probe signal or reference signal, is injected into one or more points of the cable to be tested. The signal propagates in the cable or network of cables and returns part of its energy when it encounters an electrical discontinuity. An electrical discontinuity can result, for example, from a connection, from the end of the cable or from a fault or more generally from a break in the conditions for the propagation of the signal in the cable. It results from a defect which locally modifies the characteristic impedance of the cable by causing a discontinuity in its linear parameters.

L’analyse des signaux renvoyés au point d’injection permet d’en déduire des informations sur la présence et la localisation de ces discontinuités, donc des défauts éventuels. Une analyse dans le domaine temporel ou fréquentiel est habituellement réalisée. Ces méthodes sont désignées par les acronymes TDR venant de l’expression anglo-saxonne « Time Domain Reflectometry » ou Réflectométrie Temporelle en français et FDR venant de l’expression anglo-saxonne « Frequency Domain Reflectometry » ou réflectométrie fréquentielle en françaisThe analysis of the signals sent back to the injection point makes it possible to deduce information on the presence and location of these discontinuities, and therefore of any faults. Analysis in the time or frequency domain is usually performed. These methods are designated by the acronyms TDR coming from the Anglo-Saxon expression “Time Domain Reflectometry” or Reflectometry Temporelle in French and FDR coming from the Anglo-Saxon expression “Frequency Domain Reflectometry” or frequential reflectometry in French

La réflectométrie MCR (« MultiCarrier Reflectometry » ou réflectométrie multiporteuses) utilise des signaux multi-porteuses. Son intérêt est la grande flexibilité avec laquelle on peut moduler le spectre du signal émis, ce qui permet ainsi de s'adapter à des contraintes propres au diagnostic en ligne. Par exemple, s'il est interdit d'émettre sur une bande de fréquence située au milieu du spectre du signal test, il est tout à fait possible d'annuler l'énergie du signal sur cette bande de fréquences. On connait également la réflectométrie MCTDR (« MultiCarrier Time Domain Reflectometry » ou réflectométrie multiporteuses temporelle), comme décrit dans le document référencé [1] ou encore la réflectométrie OMTDR (« Orthogonal Multicarrier Time Domain Reflectometry » ou réflectoémtrie temporelle à multiporteuses orthogonales).MCR (MultiCarrier Reflectometry) uses multi-carrier signals. Its advantage is the great flexibility with which the spectrum of the transmitted signal can be modulated, which thus makes it possible to adapt to the constraints specific to on-line diagnosis. For example, if it is forbidden to transmit on a frequency band located in the middle of the spectrum of the test signal, it is quite possible to cancel the energy of the signal on this frequency band. MCTDR (“MultiCarrier Time Domain Reflectometry”) reflectometry is also known, as described in the document referenced [1] or OMTDR reflectometry (“Orthogonal Multicarrier Time Domain Reflectometry”).

L’invention entre dans le champ d’application des méthodes de diagnostic filaire par réflectométrie et s’applique à tout type de câble électrique, en particulier des câbles de transmission d’énergie ou des câbles de communication, dans des installations fixes ou mobiles. Les câbles concernés peuvent être coaxiaux, bifilaires, en lignes parallèles, en paires torsadées ou autre pourvu qu’il soit possible d’y injecter un signal de réflectométrie en un point du câble et de mesurer sa réflexion au même point ou en un autre point.The invention falls within the field of application of wired diagnostic methods by reflectometry and applies to any type of electric cable, in particular energy transmission cables or communication cables, in fixed or mobile installations. The cables concerned may be coaxial, two-wire, in parallel lines, in twisted pairs or other provided that it is possible to inject a reflectometry signal into it at one point of the cable and to measure its reflection at the same point or at another point. .

Les méthodes de réflectométrie temporelle sont basées sur la détection d’un pic d’inter-corrélation, dans le réflectogramme mesuré, résultant de l’intercorrélation entre le signal émis et le signal mesuré après réflexion et rétro-propagation du signal dans le câble à analyser. Ce pic d’inter-corrélation résulte de la réflexion du signal sur une discontinuité d’impédance correspondant à la présence d’un défaut sur le câble.Time domain reflectometry methods are based on the detection of an inter-correlation peak, in the measured reflectogram, resulting from the inter-correlation between the emitted signal and the measured signal after reflection and back-propagation of the signal in the cable at analyze. This inter-correlation peak results from the reflection of the signal on an impedance discontinuity corresponding to the presence of a fault on the cable.

Pour obtenir une bonne précision de détection et de localisation du défaut, il faut que le pic d’inter-corrélation associé ait une amplitude la plus élevée possible et une largeur d’impulsion la plus faible possible. Autrement dit, plus le pic d’inter- mesuré sur le réflectogramme est proche d’une fonction de Dirac, meilleure sera la précision de détection et de localisation du défaut.To obtain good precision in detecting and locating the fault, the associated inter-correlation peak must have the highest possible amplitude and the lowest possible pulse width. In other words, the closer the inter-measurement peak on the reflectogram is to a Dirac function, the better the fault detection and location accuracy.

Par ailleurs, pour détecter correctement ce pic de corrélation, il convient de maximiser la puissance du signal rétrodiffusé par rapport à la puissance du bruit, en particulier le bruit de quantification de l’étage de réception (convertisseur analogique numérique).Moreover, to correctly detect this correlation peak, it is necessary to maximize the power of the backscattered signal with respect to the power of the noise, in particular the quantization noise of the reception stage (digital analog converter).

Lorsqu’un signal se propage le long d’un câble, il subit généralement deux phénomènes de distorsion : une atténuation et une dispersion. L’atténuation du signal est fonction de la distance parcourue et de la fréquence du signal, elle est généralement d’autant plus élevée que les fréquences sont hautes. L’atténuation a pour effet de diminuer l’amplitude du signal réfléchi et donc celle du pic de corrélation dans le réflectogramme.When a signal propagates along a cable, it generally undergoes two distortion phenomena: attenuation and dispersion. The attenuation of the signal depends on the distance traveled and the frequency of the signal, it is generally all the higher as the frequencies are high. The attenuation has the effect of reducing the amplitude of the reflected signal and therefore that of the correlation peak in the reflectogram.

La dispersion a pour effet un élargissement du pic de corrélation ce qui entraine une perte de précision sur la localisation de ce pic et donc du défaut. La dispersion est une modification de la densité spectrale du signal, à la fois en phase et en amplitude. La dispersion est également dépendante de la fréquence.The dispersion has the effect of widening the correlation peak, which leads to a loss of precision on the location of this peak and therefore of the fault. Dispersion is a change in the spectral density of the signal, both in phase and in amplitude. Dispersion is also frequency dependent.

Un problème général à résoudre dans ce contexte est de compenser les phénomènes d’atténuation et de dispersion qui impactent le signal lors de sa propagation dans le câble afin d’améliorer la précision de détection et de localisation du pic d’inter-corrélation dans le réflectogramme mesuré.A general problem to be solved in this context is to compensate for the attenuation and dispersion phenomena that impact the signal during its propagation in the cable in order to improve the precision of detection and localization of the inter-correlation peak in the measured reflectogram.

Une première solution connue pour compenser les phénomènes de distorsion liés à la propagation du signal consiste à choisir la forme du signal injecté dans le câble de sorte qu’il subisse le moins possible de distorsion lors de sa propagation.A first known solution to compensate for the distortion phenomena linked to the propagation of the signal consists in choosing the form of the signal injected into the cable so that it undergoes the least possible distortion during its propagation.

Par exemple, le signal choisi peut être un signal sinusoïdal. Un tel signal a un spectre défini par une seule fréquence. Il va donc subir uniquement une atténuation mais aucune dispersion. En pratique, cette solution ne peut pas toujours être retenue car les discontinuités d’impédance générées par des défauts de natures diverses ont un impact qui dépend le plus souvent de la fréquence. Il est donc en général nécessaire de réaliser une analyse dans une bande de fréquence large et pas uniquement pour une fréquence simple.For example, the chosen signal can be a sinusoidal signal. Such a signal has a spectrum defined by a single frequency. It will therefore undergo only an attenuation but no dispersion. In practice, this solution cannot always be adopted because the impedance discontinuities generated by faults of various kinds have an impact which most often depends on the frequency. It is therefore generally necessary to carry out an analysis in a wide frequency band and not only for a single frequency.

Pour cette raison, des signaux multi-porteuses ou large bande, de type OFDM sont préférés pour réaliser une analyse spectrale qui couvre une large bande de fréquences.For this reason, multi-carrier or broadband signals, of the OFDM type are preferred for carrying out a spectral analysis which covers a wide band of frequencies.

Ces signaux présentent naturellement une sensibilité plus accrue aux phénomènes de dispersion.These signals naturally have a greater sensitivity to dispersion phenomena.

Une solution connue pour corriger ces phénomènes consiste à appliquer un post traitement aux signaux mesurés, généralement au niveau de l’intercorrélation. Par exemple, la référence [2] décrit une méthode de corrélation dynamique qui applique une distorsion au signal de référence dépendant de l’atténuation théorique du signal, avant de réaliser le calcul d’intercorrélation. Un inconvénient de cette solution est qu’elle complexifie le calcul du réflectogramme et qu’elle ne permet pas de limiter le bruit de quantification.A known solution to correct these phenomena consists in applying a post-processing to the measured signals, generally at the level of the intercorrelation. For example, reference [2] describes a dynamic correlation method which applies a distortion to the reference signal depending on the theoretical attenuation of the signal, before performing the cross-correlation calculation. A disadvantage of this solution is that it complicates the calculation of the reflectogram and that it does not make it possible to limit the quantization noise.

Une troisième solution consiste à appliquer un pré-traitement au signal avant de l’injecter dans le câble, de manière à prendre en compte les distorsions qu’il va subir lors de sa propagation. L’invention fait partie de ce troisième type de solutions.A third solution consists in applying a pre-processing to the signal before injecting it into the cable, so as to take into account the distortions that it will undergo during its propagation. The invention is part of this third type of solution.

L’invention consiste en une méthode de pré-distorsion du signal avant son injection dans le câble de manière à prendre en compte les effets liés à l’atténuation et à la dispersion du signal ainsi que les effets liés au bruit de quantification de l’équipement de mesure.The invention consists of a method of pre-distorting the signal before it is injected into the cable so as to take into account the effects linked to the attenuation and dispersion of the signal as well as the effects linked to the quantization noise of the measuring equipment.

La pré-distorsion consiste à appliquer une fonction d’amplification particulière en fréquence au signal dans le domaine fréquentiel de manière à amplifier les basses fréquences du signal avec un facteur dépendant du coefficient d’atténuation du signal dans le câble et à amplifier les hautes fréquences avec un niveau constant.Pre-distortion consists in applying a particular frequency amplification function to the signal in the frequency domain so as to amplify the low frequencies of the signal with a factor depending on the attenuation coefficient of the signal in the cable and to amplify the high frequencies with a constant level.

Pour minimiser l’impact du bruit de quantification, le signal est décomposé en une somme de signaux ayant chacun un niveau d’amplification constant dans une bande de fréquences donnée, les signaux étant injectés successivement dans le câble et les différentes intercorrélations réalisées sur les signaux réfléchis étant ensuite sommées. De cette manière, le bruit de quantification est moyenné et le rapport signal à bruit global est augmenté.To minimize the impact of quantization noise, the signal is broken down into a sum of signals each having a constant amplification level in a given frequency band, the signals being injected successively into the cable and the various intercorrelations carried out on the signals reflected being then summed. In this way, the quantization noise is averaged and the overall signal-to-noise ratio is increased.

L’invention a pour objet une méthode de caractérisation de défauts dans une ligne de transmission, comprenant les étapes de :

  • Générer un signal numérique initial occupant une bande spectrale prédéfinie ayant une fréquence minimale et une fréquence maximale,
  • Appliquer, au signal numérique, plusieurs masques fréquentiels de pré-distorsion élémentaires pour générer plusieurs signaux distordus, les masques fréquentiels élémentaires étant déterminés de manière à ce que leur somme approxime un masque fréquentiel global défini par une estimée de l’inverse de l’atténuation du signal limitée en amplitude à une valeur constante pour les fréquences supérieures à une fréquence seuil choisie strictement inférieure à la fréquence maximale,
  • Convertir chaque signal distordu généré en signal analogique, au moyen d’un convertisseur numérique analogique,
  • Injecter successivement dans la ligne de transmission les signaux distordus,
  • Pour chaque signal distordu injecté,
    1. Mesurer une réflexion du signal,
    2. Convertir le signal mesuré dans le domaine numérique au moyen d’un convertisseur analogique numérique,
    3. Normaliser le signal en puissance,
  • Calculer une intercorrélation moyenne des signaux réfléchis numérisés avec le signal numérique initial généré,
  • Analyser le réflectogramme pour caractériser la présence d’un défaut sur la ligne de transmission en recherchant un pic d’amplitude caractérisant une discontinuité d’impédance.
The subject of the invention is a method for characterizing faults in a transmission line, comprising the steps of:
  • Generate an initial digital signal occupying a predefined spectral band having a minimum frequency and a maximum frequency,
  • Applying, to the digital signal, several elementary pre-distortion frequency masks to generate several distorted signals, the elementary frequency masks being determined so that their sum approximates a global frequency mask defined by an estimate of the inverse of the attenuation of the signal limited in amplitude to a constant value for frequencies above a chosen threshold frequency strictly below the maximum frequency,
  • Convert each distorted signal generated into an analog signal, using an analog digital converter,
  • Successively inject the distorted signals into the transmission line,
  • For each distorted signal injected,
    1. Measure a signal reflection,
    2. Convert the measured signal into the digital domain using an analog-to-digital converter,
    3. Normalize the signal in power,
  • Calculate an average intercorrelation of the digitized reflected signals with the initial digital signal generated,
  • Analyze the reflectogram to characterize the presence of a fault on the transmission line by looking for an amplitude peak characterizing an impedance discontinuity.

Selon un aspect particulier de l’invention, les masques fréquentiels élémentaires sont indexés chacun par une fréquence de la bande spectrale prise entre la fréquence minimale et la fréquence seuil, chaque masque fréquentiel élémentaire ayant une amplitude constante non nulle au-delà de son index de fréquence et nulle en deçà de son index de fréquence.According to a particular aspect of the invention, the elementary frequency masks are each indexed by a frequency of the spectral band taken between the minimum frequency and the threshold frequency, each elementary frequency mask having a non-zero constant amplitude beyond its index of frequency and zero below its frequency index.

Selon un aspect particulier de l’invention, chaque masque fréquentiel élémentaire est construit itérativement de la manière suivante, en faisant croitre l’index de fréquence de la fréquence minimale jusqu’à la fréquence seuil:

  • l’amplitude spectrale du masque est nulle pour des fréquences inférieures à l’index de fréquence,
  • l’amplitude spectrale du masque est égale à une valeur constante prédéterminée pour les fréquences supérieures à l’index de fréquence,
  • la valeur constante prédéterminée est prise égale à une différence entre la valeur du masque fréquentiel global prise respectivement à l’index de fréquence courant et à l’index de fréquence précédent.
According to a particular aspect of the invention, each elementary frequency mask is built iteratively in the following way, by increasing the frequency index from the minimum frequency to the threshold frequency:
  • the spectral amplitude of the mask is zero for frequencies lower than the frequency index,
  • the spectral amplitude of the mask is equal to a predetermined constant value for frequencies above the frequency index,
  • the predetermined constant value is taken equal to a difference between the value of the global frequency mask taken respectively at the current frequency index and at the previous frequency index.

Selon un aspect particulier de l’invention, la fréquence seuil est déterminée de manière à ce que le signal pré-distordu au moyen du masque fréquentiel global respecte une valeur prédéterminée de puissance.According to a particular aspect of the invention, the threshold frequency is determined so that the signal pre-distorted by means of the global frequency mask respects a predetermined power value.

Selon un aspect particulier de l’invention, la valeur prédéterminée de puissance est choisie en fonction d’un paramètre de puissance du convertisseur numérique analogique.According to a particular aspect of the invention, the predetermined power value is chosen as a function of a power parameter of the digital-analog converter.

Selon un aspect particulier de l’invention, la fréquence seuil choisie est celle qui offre la meilleure précision de détection du pic d’amplitude caractérisant une discontinuité d’impédance.According to a particular aspect of the invention, the chosen threshold frequency is that which offers the best detection accuracy of the amplitude peak characterizing an impedance discontinuity.

Selon un aspect particulier de l’invention, la fréquence seuil est choisie en fonction d’un compromis entre une compensation de la distorsion subie par le signal injecté dans la ligne et une limitation du bruit de quantification du convertisseur analogique numérique.According to a particular aspect of the invention, the threshold frequency is chosen as a function of a compromise between compensation for the distortion undergone by the signal injected into the line and limitation of the quantization noise of the analog-to-digital converter.

Selon un aspect particulier de l’invention, le signal mesuré est normalisé au moyen d’un coefficient de normalisation dépendant de la valeur constante prédéterminée du masque fréquentiel élémentaire associé au signal distordu injecté.According to a particular aspect of the invention, the measured signal is normalized by means of a normalization coefficient depending on the predetermined constant value of the elementary frequency mask associated with the injected distorted signal.

L’invention a aussi pour objet un système de caractérisation de défauts dans une ligne de transmission, le système comprenant :

  • Un générateur de signal numérique initial occupant une bande spectrale prédéfinie ayant une fréquence minimale et une fréquence maximale,
  • Un module de pré-distorsion du signal généré, configuré pour générer successivement plusieurs signaux pré-distordus à partir de plusieurs masques fréquentiels de pré-distorsion élémentaires, étant déterminés de manière à ce que leur somme approxime un masque fréquentiel global défini par une estimée de l’inverse de l’atténuation du signal limitée en amplitude à une valeur constante pour les fréquences supérieures à une fréquence seuil choisie strictement inférieure à la fréquence maximale,
  • Un convertisseur numérique-analogique
  • Un coupleur pour injecter le signal analogique dans la ligne de transmission,
  • Un équipement de mesure pour mesurer une réflexion du signal,
  • Un convertisseur analogique-numérique,
  • Un module de normalisation du signal numérique,
  • Des moyens de calcul configurés pour calculer intercorrélation moyenne des signaux réfléchis numérisés avec le signal numérique initial généré,
  • Un module d’analyse du réflectogramme pour caractériser la présence d’un défaut sur la ligne de transmission en recherchant un pic d’amplitude caractérisant une discontinuité d’impédance.
The invention also relates to a system for characterizing faults in a transmission line, the system comprising:
  • An initial digital signal generator occupying a predefined spectral band having a minimum frequency and a maximum frequency,
  • A generated signal pre-distortion module, configured to successively generate several pre-distorted signals from several elementary pre-distortion frequency masks, being determined so that their sum approximates a global frequency mask defined by an estimate of the inverse of the attenuation of the signal limited in amplitude to a constant value for frequencies above a chosen threshold frequency strictly below the maximum frequency,
  • A digital-to-analog converter
  • A coupler to inject the analog signal into the transmission line,
  • A measuring equipment to measure a signal reflection,
  • An analog-to-digital converter,
  • A digital signal normalization module,
  • Calculation means configured to calculate the average intercorrelation of the digitized reflected signals with the initial digital signal generated,
  • A reflectogram analysis module to characterize the presence of a fault on the transmission line by searching for an amplitude peak characterizing an impedance discontinuity.

Dans une variante de réalisation, le système selon l’invention comporte en outre un module de conversion des signaux pré-distordus générés du domaine fréquentiel vers le domaine temporel.In a variant embodiment, the system according to the invention further comprises a module for converting the pre-distorted signals generated from the frequency domain to the time domain.

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.Other characteristics and advantages of the present invention will appear better on reading the following description in relation to the following appended drawings.

représente un schéma illustrant le principe connu de la réflectométrie temporelle, represents a diagram illustrating the known principle of time domain reflectometry,

représente un schéma d’un exemple de système de réflectométrie, shows a diagram of an example of a reflectometry system,

représente un exemple de réflectogramme temporel obtenu à l’aide du système de la , shows an example of a time domain reflectogram obtained using the system of the ,

illustre les effets de l’atténuation et de la dispersion sur un réflectogramme, illustrates the effects of attenuation and scattering on a reflectogram,

représente l’effet sur un réflectogramme temporel, d’une pré-distorsion du signal totalement adaptée à l’atténuation subie par le signal, represents the effect on a temporal reflectogram, of a pre-distortion of the signal totally adapted to the attenuation undergone by the signal,

représente l’effet sur la puissance du signal réfléchi d’une pré-distorsion du signal totalement adaptée à l’atténuation subie par le signal, represents the effect on the power of the reflected signal of a pre-distortion of the signal totally adapted to the attenuation undergone by the signal,

représente plusieurs exemples de masques de pré-distorsion en fonction de la fréquence, shows several examples of pre-distortion masks as a function of frequency,

représente un autre exemple de masques de pré-distorsion générés selon un mode de réalisation de l’invention, represents another example of pre-distortion masks generated according to an embodiment of the invention,

représente un organigramme détaillant les étapes de mise en œuvre d’une méthode de réflectométrie selon l’invention, represents a flowchart detailing the steps for implementing a reflectometry method according to the invention,

représente un schéma d’un système de réflectométrie modifié selon un mode de réalisation de l’invention, represents a diagram of a reflectometry system modified according to an embodiment of the invention,

représente un exemple de résultats comparatifs de différents réflectogrammes obtenus à partir de méthodes de l’art antérieur et de l’invention, represents an example of comparative results of different reflectograms obtained from methods of the prior art and of the invention,

représente un diagramme de distribution de l’erreur de localisation d’un défaut en fonction d’un paramètre de la méthode selon l’invention et en comparaison à une méthode de l’art antérieur. represents a distribution diagram of the fault location error as a function of a parameter of the method according to the invention and in comparison with a method of the prior art.

La schématise, pour rappel, le principe de fonctionnement d’une méthode de diagnostic par réflectométrie appliquée à une ligne de transmission L présentant un défaut non-franc DNF. L’exemple décrit ci-dessous correspond à une méthode de réflectométrie temporelle.There schematizes, as a reminder, the principle of operation of a diagnostic method by reflectometry applied to a transmission line L presenting a non-dead fault DNF. The example described below corresponds to a time domain reflectometry method.

Un signal de référence S est injecté dans la ligne de transmission en un point P. Le signal réfléchi R est mesuré au même point P (ou en un autre point de la ligne). Ce signal se propage dans la ligne et rencontre, au cours de sa propagation, une première discontinuité d’impédance à l’entrée du défaut non franc DNF. Le signal se réfléchit sur cette discontinuité avec un coefficient de réflexion . Si l’impédance caractéristique dans la zone du défaut non franc DNF est inférieure à l’impédance caractéristique avant l’apparition du défaut, alors le coefficient de réflexion est négatif et se traduit par un pic d’amplitude négative dans le signal réfléchi R. Dans le cas inverse, le coefficient de réflexion est positif et se traduit par un pic d’amplitude positive dans le signal réfléchi R.A reference signal S is injected into the transmission line at a point P. The reflected signal R is measured at the same point P (or at another point on the line). This signal propagates in the line and encounters, during its propagation, a first impedance discontinuity at the input of the non-dead fault DNF. The signal is reflected on this discontinuity with a reflection coefficient . If the characteristic impedance in the zone of the non-dead fault DNF is lower than the characteristic impedance before the appearance of the fault, then the reflection coefficient is negative and results in a peak of negative amplitude in the reflected signal R. In the opposite case, the reflection coefficient is positive and results in a positive amplitude peak in the reflected signal R.

La représente un schéma d’un système 100 d’analyse de défaut dans une ligne de transmission L, telle qu’un câble, selon l’art antérieur. Un tel système comprend principalement un générateur GEN d’un signal de référence. Le signal de référence numérique généré est converti analogiquement via un convertisseur numérique-analogique DAC puis est injecté en un point de la ligne de transmission L au moyen d’un coupleur CPL ou tout autre dispositif permettant d’injecter un signal dans une ligne. Le signal se propage le long de la ligne et se réfléchit sur les singularités qu’elle comporte. En l’absence de défaut sur la ligne, le signal se réfléchit sur l’extrémité de la ligne si la terminaison de la ligne est non adaptée. En présence de défaut sur la ligne, le signal se réfléchit sur la discontinuité d’impédance provoquée par le défaut. Le signal réfléchi est rétro-propagé jusqu’à un point de mesure, qui peut être commun au point d’injection ou différent. Le signal rétro-propagé est converti numériquement par un convertisseur analogique numérique ADC. Optionnellement, un moyenneur MOY est ajouté en sortie du convertisseur ADC. Une corrélation COR est ensuite effectuée entre le signal numérique mesuré et une copie du signal numérique généré avant injection afin de produire un réflectogramme temporel R(t) correspondant à l’inter-corrélation entre les deux signaux.There shows a diagram of a fault analysis system 100 in a transmission line L, such as a cable, according to the prior art. Such a system mainly comprises a generator GEN of a reference signal. The digital reference signal generated is converted analogically via a digital-analog converter DAC then is injected at a point on the transmission line L by means of a PLC coupler or any other device making it possible to inject a signal into a line. The signal propagates along the line and is reflected on the singularities it contains. If there is no fault on the line, the signal is reflected on the end of the line if the line termination is not suitable. In the presence of a fault on the line, the signal is reflected on the impedance discontinuity caused by the fault. The reflected signal is back-propagated to a measurement point, which may be common to the injection point or different. The back-propagated signal is digitally converted by an analog-to-digital converter ADC. Optionally, an averager MOY is added at the output of the ADC converter. A COR correlation is then carried out between the measured digital signal and a copy of the digital signal generated before injection in order to produce a time reflectogram R(t) corresponding to the inter-correlation between the two signals.

En outre, une unité de traitement (non représentée à la ), de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre est utilisée pour piloter le système de réflectométrie et afficher les résultats des mesures sur une interface homme-machine.In addition, a processing unit (not shown in ), of the computer, personal digital assistant or other type is used to drive the reflectometry system and display the results of the measurements on a man-machine interface.

Les résultats affichés peuvent comprendre un ou plusieurs réflectogrammes calculés à l’aide du procédé selon l’invention et/ou une information relative à l’existence et à la localisation d’un défaut sur le câble également produite par le procédé selon l’invention. Les résultats affichés peuvent aussi comprendre une ou plusieurs bandes de fréquence sélectionnés par l’invention pour être utilisée(s) pour le diagnostic de défauts sur un câble donné.The results displayed may include one or more reflectograms calculated using the method according to the invention and/or information relating to the existence and location of a fault on the cable also produced by the method according to the invention. . The results displayed can also include one or more frequency bands selected by the invention to be used for the diagnosis of faults on a given cable.

La représente un exemple de réflectogramme R(t) obtenu en sortie du corrélateur COR. Ce réflectogramme comporte un premier pic d’amplitude 301, dit pic d’injection, qui correspond à la réflexion du signal sur la discontinuité créée par la connexion entre le coupleur CPL et le câble L. Le réflectogramme comprend ensuite un deuxième pic d’amplitude 302 qui correspond à une discontinuité d’impédance générée par un défaut. La durée T entre les deux pics 301,302 est convertie en distance D à partir de la vitesse de propagation V du signal : D= V.T. Le maximum du pic 302 donne la position précise du défaut.There represents an example of reflectogram R(t) obtained at the output of the correlator COR. This reflectogram comprises a first amplitude peak 301, called injection peak, which corresponds to the reflection of the signal on the discontinuity created by the connection between the CPL coupler and the cable L. The reflectogram then comprises a second amplitude peak 302 which corresponds to an impedance discontinuity generated by a fault. The duration T between the two peaks 301,302 is converted into distance D from the propagation speed V of the signal: D=VT The maximum of peak 302 gives the precise position of the fault.

La illustre l’effet de l’atténuation et de la dispersion sur le réflectogramme. L’atténuation du signal entre le point d’injection et le défaut a pour effet de réduire l’amplitude du pic 302 d’un facteur Att par rapport au pic d’injection 301. Ainsi, le pic 302 peut se retrouver en dessous du niveau de bruit et devenir indétectable.There illustrates the effect of attenuation and scattering on the reflectogram. The attenuation of the signal between the injection point and the defect has the effect of reducing the amplitude of the peak 302 by a factor Att with respect to the injection peak 301. Thus, the peak 302 can be found below the noise level and become undetectable.

La dispersion a pour effet d’élargir la durée du pic 302 d’un facteur Disp ce qui entraine une imprécision de localisation du fait que le maximum du pic 302 devient moins précisément identifiable. Par ailleurs, cette imprécision de localisation est d’autant plus importante en présence de bruit.The dispersion has the effect of extending the duration of peak 302 by a factor Disp, which leads to a location inaccuracy because the maximum of peak 302 becomes less precisely identifiable. Moreover, this inaccuracy of location is all the more important in the presence of noise.

La distorsion globale subie par le signal injecté dans le câble et se propageant jusqu’à une distance d du point d’injection peut être représentée par un coefficient de distorsion f(k,d)αkoù f(k,d) est une fonction de compensation qui dépend de la fréquence k du signal et de la distance d et αkest le coefficient d’atténuation du signal (que l’on souhaite compenser). Le coefficient αkdépend de la fréquence et des caractéristiques physiques du câble. Il peut être déterminé à partir de mesures sur le câble ou fourni par le constructeur du câble.The overall distortion undergone by the signal injected into the cable and propagating up to a distance d from the injection point can be represented by a distortion coefficient f(k,d)α k where f(k,d) is a compensation function which depends on the frequency k of the signal and the distance d and α k is the attenuation coefficient of the signal (which we wish to compensate). The coefficient α k depends on the frequency and the physical characteristics of the cable. It can be determined from measurements on the cable or provided by the cable manufacturer.

Plus précisément, si on se place dans le cas d’un signal multi-porteuses auquel est appliqué une pré-distorsion, le signal pré-distordu peut être exprimé au moyen de la relation suivante :More precisely, if we place ourselves in the case of a multi-carrier signal to which a pre-distortion is applied, the pre-distorted signal can be expressed by means of the following relation:

Skcorrespond aux échantillons du signal OFDM initial.S k corresponds to the samples of the initial OFDM signal.

Le signal réfléchi peut être exprimé par la relation suivante :The reflected signal can be expressed by the following relationship:

Avec ces notations, le rapport entre la puissance Prdu signal réfléchi et la puissance Pindu signal injecté est donné par la relation suivante :With these notations, the ratio between the power P r of the reflected signal and the power P in of the injected signal is given by the following relationship:

Une solution naturelle pour compenser les effets de l’atténuation sur le signal, consiste à fixer f(k,d) égal à 2d pour pré-distordre le signal émis d’un facteur qui correspond au facteur d’atténuation théorique que subit le signal en fonction de la distance d. Le facteur de pré-distorsion résultant croit exponentiellement avec la fréquence (pour une distance d donnée) comme représenté par le masque de pré-distorsion 601 de la .A natural solution to compensate for the effects of attenuation on the signal, consists in setting f(k,d) equal to 2d to pre-distort the emitted signal by a factor which corresponds to the theoretical attenuation factor that the signal undergoes as a function of the distance d. The resulting predistortion factor increases exponentially with frequency (for a given distance d) as represented by the predistortion mask 601 of the .

En appliquant cette pré-distorsion au signal, la densité spectrale de puissance du signal résultant n’est plus uniforme mais croissante exponentiellement avec la fréquence. En considérant que la puissance moyenne du signal est contrainte à une valeur constante (du fait notamment des contraintes du convertisseur numérique analogique utilisé pour générer le signal analogique à injecter dans le câble), plus la distance d est élevée, plus il faut fournir de puissance sur les hautes fréquences et donc en enlever sur les basses fréquences.By applying this pre-distortion to the signal, the power spectral density of the resulting signal is no longer uniform but increases exponentially with frequency. Considering that the average power of the signal is constrained to a constant value (due in particular to the constraints of the digital-to-analog converter used to generate the analog signal to be injected into the cable), the greater the distance d, the more power must be provided. on the high frequencies and therefore remove some on the low frequencies.

La représente un pic d’intercorrélation caractéristique d’un défaut, respectivement obtenu pour un signal sans pré-distorsion (courbe 501) et pour un signal avec pré-distorsion en utilisant le masque de pré-distorsion 601 de la (courbe 502). On remarque que le pic d’intercorrélation est plus proche d’une fonction de Dirac lorsqu’on applique une pré-distorsion. Ainsi, la localisation du défaut sera rendue plus précise puisque le maximum du pic d’intercorrélation peut être identifié plus précisément. Pour un rapport signal à bruit donné, un pic d’intercorrélation plus fin (proche d’une fonction de Dirac) risque moins d’être affecté par le bruit, on peut donc en déduire que la pré-distorsion permet une localisation plus précise du défaut.There represents an intercorrelation peak characteristic of a defect, respectively obtained for a signal without pre-distortion (curve 501) and for a signal with pre-distortion by using the pre-distortion mask 601 of the (curve 502). Note that the cross-correlation peak is closer to a Dirac function when a pre-distortion is applied. Thus, the localization of the fault will be made more precise since the maximum of the cross-correlation peak can be identified more precisely. For a given signal-to-noise ratio, a finer cross-correlation peak (close to a Dirac function) is less likely to be affected by noise, so we can deduce that the pre-distortion allows a more precise localization of the default.

La représente, sur un même diagramme, le rapport entre la puissance Pr du signal réfléchi et la puissance Pin du signal injecté, en fonction de la distance au défaut (en abscisse), pour une méthode sans pré-distorsion (courbe 510) et en appliquant au signal le masque de pré-distorsion 601 de la (courbe 520).There represents, on the same diagram, the ratio between the power Pr of the reflected signal and the power Pin of the injected signal, as a function of the distance to the fault (on the abscissa), for a method without pre-distortion (curve 510) and by applying to the signal the pre-distortion mask 601 of the (curve 520).

On peut voir sur la que le signal réfléchi est très fortement atténué lorsqu’on applique une pré-distorsion qui vise à compenser exactement l’atténuation du signal. Ainsi, même si la pré-distorsion permet d’améliorer la précision de localisation d’un défaut, cette solution n’est pas envisageable en pratique car elle implique que le rapport signal à bruit du signal réfléchi est détérioré. En effet, le signal réfléchi étant trop fortement atténué, il va être noyé dans le bruit.You can see on the that the reflected signal is very strongly attenuated when a pre-distortion is applied which aims to exactly compensate for the attenuation of the signal. Thus, even if the pre-distortion makes it possible to improve the accuracy of locating a fault, this solution cannot be envisaged in practice because it implies that the signal-to-noise ratio of the reflected signal is deteriorated. Indeed, the reflected signal being too strongly attenuated, it will be drowned in the noise.

On peut donc en déduire que le masque de pré-distorsion 601 qui vise à compenser exactement la courbe d’atténuation du signal en fréquence, ne convient pas à une mise en œuvre pratique dans un système de réflectométrie.It can therefore be deduced that the pre-distortion mask 601 which aims to exactly compensate the attenuation curve of the frequency signal, is not suitable for practical implementation in a reflectometry system.

Pour éviter une atténuation trop importante du signal réfléchi et une diminution du rapport signal à bruit, une solution consiste à écrêter le masque de pré-distorsion à une valeur constante au-delà d’une fréquence choisie k0. On obtient ainsi le masque 602 représenté à la . En utilisant ce masque, les basses fréquences (inférieures à k0) sont amplifiées en prenant en compte l’atténuation exponentielle du signal tandis que les hautes fréquences (supérieures à k0) sont amplifiées avec une valeur constante. Ce masque 602 correspond à une compensation partielle de l’atténuation du signal, contrairement au masque 601 qui correspond à une compensation totale.To avoid excessive attenuation of the reflected signal and a reduction in the signal-to-noise ratio, one solution consists in clipping the pre-distortion mask to a constant value beyond a chosen frequency k0. We thus obtain the mask 602 shown in . Using this mask, low frequencies (below k0) are amplified taking into account the exponential attenuation of the signal while high frequencies (above k0) are amplified with a constant value. This mask 602 corresponds to a partial compensation of the attenuation of the signal, contrary to the mask 601 which corresponds to a total compensation.

Pour obtenir le masque 602, la fonction f(k,d) est donnée par :To obtain the mask 602, the function f(k,d) is given by:

En utilisant le masque de pré-distorsion 602, on améliore toujours significativement la précision du pic d’intercorrélation dans le réflectogramme tout en conservant un rapport entre puissance du signal injecté et puissance du signal réfléchi acceptable.By using the pre-distortion mask 602, the precision of the cross-correlation peak in the reflectogram is still significantly improved while maintaining an acceptable ratio between the power of the injected signal and the power of the reflected signal.

La valeur maximale de est, par exemple, choisie de sorte à respecter une contrainte de puissance maximale ou de dynamique de puissance fixée par le convertisseur numérique analogique du système.The maximum value of is, for example, chosen so as to comply with a maximum power or power dynamic constraint set by the digital-analog converter of the system.

La courbe 603 de la correspond à la courbe 601 multipliée par un facteur d’atténuation (inférieur strictement à 1) qui correspond à la puissance maximale du convertisseur numérique analogique.Curve 603 of the corresponds to curve 601 multiplied by an attenuation factor (strictly less than 1) which corresponds to the maximum power of the digital-analog converter.

Ensuite, on fixe k0de sorte que la puissance moyenne du signal pré-distordu à l’aide du masque 603 est égale à la puissance moyenne du signal pré-distordu à l’aide du masque 602.Next, we set k 0 so that the average power of the signal pre-distorted using mask 603 is equal to the average power of the signal pre-distorted using mask 602.

La valeur précise de peut être choisie inférieure à la valeur qui donne l’égalité de puissances moyennes ci-dessus, comme cela sera explicité par la suite.The precise value of can be chosen lower than the value which gives the equality of mean powers above, as will be explained hereafter.

Même en utilisant le masque de pré-distorsion 602, le signal obtenu souffre toujours d’une atténuation trop importante pour ne pas être impacté par le bruit de quantification du convertisseur analogique numérique. Autrement dit, une difficulté inhérente aux méthodes de pré-distorsion est de réussir à amplifier suffisamment le signal réfléchi (en compensant son atténuation) sans amplifier le bruit de quantification sur le signal réfléchi mesuré en sortie du convertisseur analogique numérique.Even using the 602 pre-distortion mask, the resulting signal still suffers from too much attenuation not to be impacted by the quantization noise of the analog-to-digital converter. In other words, a difficulty inherent in pre-distortion methods is to succeed in sufficiently amplifying the reflected signal (by compensating for its attenuation) without amplifying the quantization noise on the reflected signal measured at the output of the analog-to-digital converter.

Une solution permettant de réduire le niveau du bruit de quantification consiste à réaliser plusieurs mesures et à réaliser une moyenne des mesures afin de réduire le niveau de bruit. Cependant, le bruit de quantification étant par nature déterministe, réaliser plusieurs mesures du même signal ne modifie pas le bruit de quantification et ne permet pas d’augmenter le rapport signal à bruit.A solution making it possible to reduce the level of the quantization noise consists in carrying out several measurements and in carrying out an average of the measurements in order to reduce the noise level. However, since quantization noise is deterministic by nature, performing several measurements of the same signal does not modify the quantization noise and does not increase the signal-to-noise ratio.

Pour remédier à l’ensemble des inconvénients précités, l’invention propose une solution consistant à décomposer le signal à injecter dans le câble en une somme de signaux élémentaires, d’injecter successivement chaque signal élémentaire et de réaliser une moyenne des intercorrélations réalisées respectivement pour chaque signal élémentaire réfléchi et mesuré. De cette manière, le bruit de quantification est moyenné et le rapport signal à bruit du réflectogramme final est augmenté.To remedy all of the aforementioned drawbacks, the invention proposes a solution consisting in breaking down the signal to be injected into the cable into a sum of elementary signals, successively injecting each elementary signal and achieving an average of the intercorrelations carried out respectively for each elementary signal reflected and measured. In this way, the quantization noise is averaged and the signal-to-noise ratio of the final reflectogram is increased.

Le principe de décomposition du signal pré-distordu en signaux élémentaires est illustré à la .The principle of breaking down the pre-distorted signal into elementary signals is illustrated in .

La représente le masque 602 de pré-distorsion précédemment introduit. Comme explicité ci-dessus, ce masque suit une courbe inverse à l’atténuation du signal pour les fréquences inférieures à k0 et présente une valeur constante pour les fréquences supérieures à k0.There represents the previously introduced pre-distortion mask 602. As explained above, this mask follows a curve inverse to the attenuation of the signal for frequencies below k0 and has a constant value for frequencies above k0.

Les fréquences sont identifiées par des index entiers variant de 1 à K, avec K le nombre de sous-porteuses du signal OMTDR initialement généré.The frequencies are identified by integer indices varying from 1 to K, with K the number of sub-carriers of the initially generated OMTDR signal.

Le masque 602 est décomposé en k0masques élémentaires U1,…Uk0. Chaque masque élémentaire Upa une amplitude nulle pour les fréquences inférieures à l’index p du masque et une amplitude constante pour les fréquences supérieures à p.The mask 602 is broken down into k 0 elementary masks U 1 ,…U k0 . Each elementary mask U p has a zero amplitude for the frequencies lower than the index p of the mask and a constant amplitude for the frequencies higher than p.

L’amplitude constante est donnée par la différence entre la valeur du masque 601 pour la fréquence p et de la valeur du masque 601 pour la fréquence p-1.The constant amplitude is given by the difference between the value of the mask 601 for the frequency p and the value of the mask 601 for the frequency p-1.

Chaque masque élémentaire correspond ainsi à une densité spectrale de puissance constante dans une bande spectrale donnée.Each elementary mask thus corresponds to a constant power spectral density in a given spectral band.

Par ailleurs, la somme des k0masques élémentaires approxime le masque de pré-distorsion global 602.Furthermore, the sum of the k 0 elementary masks approximates the global pre-distortion mask 602.

En injectant successivement les k0signaux élémentaires obtenus à l’aide des k0masques élémentaires Updans le câble, puis en réalisant k0mesures de ces signaux réfléchis, le bruit de quantification est moyenné en sommant les k0mesures en sortie du convertisseur analogique numérique ou les k0réflectogrammes obtenus en sortie d’intercorrélation. De cette manière, on conserve la précision souhaitée sur le pic d’intercorrélation (du fait de la densité spectrale globale du signal résultant de la somme des signaux élémentaires) tout en évitant d’amplifier le bruit de quantification.By successively injecting the k 0 elementary signals obtained using the k 0 elementary masks U p into the cable, then by performing k 0 measurements of these reflected signals, the quantization noise is averaged by summing the k 0 measurements at the output of the analog-to-digital converter or the k 0 reflectograms obtained at the cross-correlation output. In this way, the desired accuracy is maintained on the cross-correlation peak (due to the overall spectral density of the signal resulting from the sum of the elementary signals) while avoiding amplifying the quantization noise.

Dans une variante de réalisation, seulement une partie des k0signaux élémentaires est utilisée, par exemple en sélectionnant un signal élémentaire sur deux, ou plus généralement un signal élémentaire sur n.In a variant embodiment, only part of the k 0 elementary signals is used, for example by selecting one elementary signal out of two, or more generally one elementary signal out of n.

La résume les étapes de mise en œuvre d’une méthode de caractérisation de défaut dans un câble, par réflectométrie, selon un mode de réalisation de l’invention.There summarizes the steps for implementing a method for characterizing a fault in a cable, by reflectometry, according to one embodiment of the invention.

La représente un schéma d’un système de réflectométrie configuré pour mettre en œuvre la méthode de la .There shows a diagram of a reflectometry system configured to implement the method of the .

La première étape 800 consiste à générer numériquement, au moyen d’un générateur GEN, un signal large bande ou signal multi-porteuses, par exemple un signal de type OMTDR ou MCTDR ou plus généralement un signal OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing ou modulation par répartition de fréquences). Le générateur numérique GEN peut également être remplacé par une simple mémoire dans laquelle sont stockés les échantillons du signal qui a été généré numériquement. Le signal initial généré à l’étape 800 présente une densité spectrale de puissance uniforme dans une bande de fréquence prédéterminée [Fmin ; Fmax].The first step 800 consists of digitally generating, by means of a generator GEN, a broadband signal or multi-carrier signal, for example a signal of the OMTDR or MCTDR type or more generally an OFDM signal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing or modulation by frequency distribution). The digital generator GEN can also be replaced by a simple memory in which the samples of the signal which has been generated digitally are stored. The initial signal generated in step 800 has a uniform power spectral density in a predetermined frequency band [Fmin; Fmax].

A l’étape 801, on génère plusieurs signaux pré-distordus élémentaires à partir des masques de pré-distorsion Up définis à la . Chaque signal pré-distordu élémentaire est obtenu en multipliant le signal initial avec un masque de pré-distorsion Up. Cette étape est réalisée numériquement au moyen d’une unité numérique de pré-distorsion PRD. Ensuite, les signaux générés à l’étape 801 sont convertis dans le domaine temporel au moyen d’un module de transformée de Fourier inverse IFFT (étape 802). Les signaux temporels sont ensuite convertis analogiquement à l’étape 803 (via un convertisseur numérique analogique CNA) puis injectés 804 successivement dans la ligne L au moyen d’un coupleur CPL. Il convient de noter que les signaux pré-distordus peuvent être générés à l’étape 801 simultanément puis tous convertis temporellement 802 et analogiquement 803 avant d’être injecté l’un après l’autre. Alternativement, les étapes 801,802,803,804 peuvent être générés itérativement pour chaque signal pré-distordu élémentaire. Autrement dit, une boucle itérative est réalisée soit sur la succession des étapes 801,802,803,804 soit uniquement sur l’étape 804.At step 801, several elementary pre-distorted signals are generated from the pre-distortion masks Up defined at . Each elementary pre-distorted signal is obtained by multiplying the initial signal with a pre-distortion mask Up. This step is performed digitally using a digital pre-distortion unit PRD. Next, the signals generated in step 801 are converted into the time domain using an inverse Fourier transform module IFFT (step 802). The time signals are then converted analogically in step 803 (via a digital-analog converter DAC) then injected 804 successively into the line L by means of a CPL coupler. It should be noted that the pre-distorted signals can be generated at step 801 simultaneously then all converted temporally 802 and analogically 803 before being injected one after the other. Alternatively, steps 801,802,803,804 can be generated iteratively for each elementary pre-distorted signal. In other words, an iterative loop is performed either on the succession of steps 801,802,803,804 or only on step 804.

Chaque signal injecté dans le câble L est réfléchi sur un défaut du câble (ou sur l’extrémité opposée du câble si aucun défaut n’est présent) puis rétro-propagé jusqu’au coupleur CPL qui mesure (étape 805) le signal réfléchi.Each signal injected into the cable L is reflected on a fault in the cable (or on the opposite end of the cable if no fault is present) then back-propagated to the coupler CPL which measures (step 805) the reflected signal.

Ce signal réfléchi est converti numériquement (étape 806) via un convertisseur analogique numérique (CAN) générant un bruit de quantification donné.This reflected signal is digitally converted (step 806) via an analog-to-digital converter (ADC) generating a given quantization noise.

Une étape 807 de normalisation du signal est ensuite appliquée de sorte à ce que tous les signaux numérisés aient la même puissance moyenne. Pour cela, si on note Sr,ple signal réfléchi mesuré correspondant au masque de pré-distorsion Up, le coefficient de normalisation à appliquer à ce signal est donné par la relation suivante :A signal normalization step 807 is then applied so that all the digitized signals have the same average power. For this, if we note S r,p the measured reflected signal corresponding to the pre-distortion mask U p , the normalization coefficient to be applied to this signal is given by the following relationship:

. .

L’étape 807 consiste ainsi à diviser chaque échantillon numérique du signal Sr,ppar le coefficient npau moyen d’un diviseur DIV. Dpcorrespond au facteur de dynamique du convertisseur numérique analogique DAC. Les coefficients de normalisation sont pré-calculés par une unité de traitement NORM.Step 807 thus consists in dividing each digital sample of the signal S r,p by the coefficient n p by means of a divider DIV. D p corresponds to the dynamic factor of the digital-analog converter DAC. The normalization coefficients are pre-calculated by a NORM processing unit.

Chaque signal normalisé est ensuite transmis à un corrélateur COR pour calculer (étape 808) un réflectogramme par intercorrélation entre le signal reçu et une copie du signal généré initialement (étape 800).Each normalized signal is then transmitted to a correlator COR to calculate (step 808) a reflectogram by cross-correlation between the signal received and a copy of the signal initially generated (step 800).

Enfin, tous les réflectogrammes sont sommés, ou moyennés (étape 809) au moyen d’un additionneur ADD afin de générer le réflectogramme final R(t) ayant un rapport signal à bruit augmenté.Finally, all the reflectograms are summed, or averaged (step 809) by means of an adder ADD in order to generate the final reflectogram R(t) having an increased signal-to-noise ratio.

Dans une alternative de réalisation, les différents signaux normalisés peuvent être sommés (ou moyennés) afin de générer un signal unique qui est fourni au corrélateur pour calculer le réflectogramme R(t). Dans ce cas, l’additionneur ADD est placé en amont du corrélateur COR. Autrement dit, la moyenne des signaux peut être réalisée avant ou après corrélation avec le signal initial.In an alternative embodiment, the different normalized signals can be summed (or averaged) in order to generate a single signal which is supplied to the correlator to calculate the reflectogram R(t). In this case, the adder ADD is placed upstream of the correlator COR. In other words, the average of the signals can be carried out before or after correlation with the initial signal.

La illustre des résultats comparatifs de réflectogrammes R(t) obtenus avec différentes méthodes. La courbe 1001 correspond à un réflectogramme obtenu à partir de l’injection d’un signal non distordu (c’est-à-dire le signal directement prélevé en sortie de l’étape 800, sans appliquer l’étape 801).There illustrates comparative results of R(t) reflectograms obtained with different methods. Curve 1001 corresponds to a reflectogram obtained from the injection of an undistorted signal (that is to say the signal taken directly at the output of step 800, without applying step 801).

La courbe 1002 correspond à un réflectogramme obtenu en appliquant directement au signal initial le masque de pré-distorsion 602 et en injectant le signal résultant dans le câble. On remarque que le niveau de bruit sur le réflectogramme 1002 est important du fait d’une atténuation encore trop importante des basses fréquences du signal.The curve 1002 corresponds to a reflectogram obtained by applying the pre-distortion mask 602 directly to the initial signal and by injecting the resulting signal into the cable. Note that the noise level on the reflectogram 1002 is high due to still too high attenuation of the low frequencies of the signal.

Enfin, la courbe 1003 correspond au réflectogramme obtenu en appliquant la méthode selon l’invention décrite aux figures 8 et 9. On peut remarquer que le pic d’intercorrélation présente une largeur réduite par rapport à celui de la courbe de référence 1001, ce qui démontre une compensation de la dispersion subie par le signal. On remarque également que le rapport signal à bruit du réflectogramme 1003 est amélioré par rapport au rapport signal à bruit du réflectogramme 1002, ce qui démontre une réduction du bruit de quantification.Finally, the curve 1003 corresponds to the reflectogram obtained by applying the method according to the invention described in FIGS. 8 and 9. It can be noted that the cross-correlation peak has a reduced width compared to that of the reference curve 1001, which demonstrates compensation for the dispersion experienced by the signal. It is also noted that the signal-to-noise ratio of the reflectogram 1003 is improved compared to the signal-to-noise ratio of the reflectogram 1002, which demonstrates a reduction in the quantization noise.

Un paramètre important de l’invention est la valeur de la fréquence k0au-delà de laquelle le masque de pré-distorsion initial 602 est écrêté, cette valeur correspondant également au nombre de signaux élémentaires Upissus de la décomposition décrite à la .An important parameter of the invention is the value of the frequency k 0 beyond which the initial pre-distortion mask 602 is clipped, this value also corresponding to the number of elementary signals U p resulting from the decomposition described in .

La illustre des résultats comparatifs de fonctions de répartition cumulée de l’erreur de localisation d’un défaut situé à une distance donnée (par exemple 180 m) du point d’injection du signal.There illustrates comparative results of cumulative distribution functions of the location error of a fault located at a given distance (for example 180 m) from the signal injection point.

La courbe 1101 correspond à une méthode sans pré-distorsion du signal initial. Les courbes 1102,1103,1104,1105 correspondent à la méthode selon l’invention avec des valeurs de k0respectivement égales à 3,15,26 et 6 sur un total de 256 sous porteuses fréquentielles.Curve 1101 corresponds to a method without pre-distortion of the initial signal. Curves 1102,1103,1104,1105 correspond to the method according to the invention with values of k 0 respectively equal to 3,15,26 and 6 out of a total of 256 frequency subcarriers.

On remarque qu’une valeur de k0 trop importante (k0=26, courbe 1104) dégrade les performances de localisation par rapport à une méthode sans pré-distorsion. La valeur optimale de k0 (k0=6 sur l’exemple de la ) peut être obtenue par simulation et résulte d’un compromis. Si k0 est trop élevé, le bruit de quantification est trop important pour être compensé correctement. A l’inverse, si k0 est trop faible, l’effet de la dispersion du signal sur le pic d’intercorrélation du réflectogramme sera plus important.Note that an excessively high value of k0 (k0=26, curve 1104) degrades the location performance compared to a method without pre-distortion. The optimal value of k0 (k0=6 on the example of the ) can be obtained by simulation and results from a compromise. If k0 is too high, the quantization noise is too large to be compensated correctly. Conversely, if k0 is too low, the effect of signal dispersion on the cross-correlation peak of the reflectogram will be greater.

Bien que la représente un exemple pour lequel un nombre k0 de signaux élémentaires est utilisé pour décomposer le signal pré-distordu, ce nombre peut être inférieur à k0 si, pour des raisons d’optimisation du temps de calcul, on souhaite réduire le nombre de signaux élémentaires à générer. Le nombre de signaux élémentaires a cependant un impact sur l’approximation du masque de pré-distorsion 602 qui est d’autant plus précisément respecté que le nombre de signaux élémentaires est élevé.Although the represents an example for which a number k0 of elementary signals is used to decompose the pre-distorted signal, this number can be less than k0 if, for reasons of optimization of the calculation time, one wishes to reduce the number of elementary signals to generate. The number of elementary signals however has an impact on the approximation of the pre-distortion mask 602 which is all the more precisely respected the higher the number of elementary signals.

Le système de réflectométrie selon l’invention peut être mis en œuvre par une carte électronique sur laquelle sont disposés les différents composants. La carte peut être connectée au câble à analyser par un moyen de couplage CPL qui peut être un coupleur directionnel à effet capacitif ou inductif ou encore une connexion ohmique. Le dispositif de couplage peut être réalisé par des connecteurs physiques qui relient le générateur de signal au câble ou par des moyens sans contact, par exemple en utilisant un cylindre métallique dont le diamètre interne est sensiblement égal au diamètre externe du câble et qui produit un effet de couplage capacitif avec le câble.The reflectometry system according to the invention can be implemented by an electronic card on which the various components are arranged. The card can be connected to the cable to be analyzed by a PLC coupling means which can be a directional coupler with capacitive or inductive effect or even an ohmic connection. The coupling device can be made by physical connectors which connect the signal generator to the cable or by means without contact, for example by using a metal cylinder whose internal diameter is substantially equal to the external diameter of the cable and which produces an effect capacitive coupling with the cable.

En outre, une unité de traitement, de type ordinateur, assistant numérique personnel ou autre dispositif électronique ou informatique équivalent peut être utilisé pour piloter le système selon l’invention et afficher les résultats des calculs effectués par le corrélateur COR sur une interface homme-machine, en particulier le réflectogramme R(t) et/ou les informations de détection et localisation de défauts sur le câble.In addition, a processing unit, of the computer type, personal digital assistant or other equivalent electronic or computer device can be used to control the system according to the invention and display the results of the calculations carried out by the correlator COR on a man-machine interface , in particular the reflectogram R(t) and/or the information for detecting and locating faults on the cable.

Le système selon l’invention, en particulier les modules de traitement numérique GEN,PRD,IFFT, NORM,COR peuvent être implémentés dans un processeur embarqué ou non ou dans un dispositif spécifique. Le processeur peut être un processeur générique, un processeur spécifique, un circuit intégré propre à une application (connu aussi sous le nom anglais d’ASIC pour « Application-Specific Integrated Circuit ») ou un réseau de portes programmables in situ (connu aussi sous le nom anglais de FPGA pour « Field-Programmable Gate Array »). Le dispositif selon l’invention peut utiliser un ou plusieurs circuits électroniques dédiés ou un circuit à usage général. La technique de l'invention peut se réaliser sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un micro-contrôleur par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel).The system according to the invention, in particular the digital processing modules GEN, PRD, IFFT, NORM, COR can be implemented in an embedded or non-embedded processor or in a specific device. The processor may be a generic processor, a specific processor, an application-specific integrated circuit (also known as an ASIC for "Application-Specific Integrated Circuit") or an array of field-programmable gates (also known as the English name of FPGA for “Field-Programmable Gate Array”). The device according to the invention can use one or more dedicated electronic circuits or a circuit for general use. The technique of the invention can be implemented on a reprogrammable calculation machine (a processor or a microcontroller for example) executing a program comprising a sequence of instructions, or on a dedicated calculation machine (for example a set of gates such as an FPGA or an ASIC, or any other hardware module).

Le système de réflectométrie selon l’invention peut comporter, au sein d’un même dispositif, à la fois les composants aptes à générer le signal de référence et à l’injecter dans une ou plusieurs ligne(s) de transmission et les composants aptes à mesurer le signal rétro-propagé et à réaliser les calculs nécessaires à l’élaboration d’un réflectogramme. Alternativement, ces deux parties peuvent être implémentées sur deux dispositifs distincts, chaque dispositif étant connecté indépendamment au câble à analyser au moyen de deux coupleurs distincts.The reflectometry system according to the invention may comprise, within the same device, both the components capable of generating the reference signal and of injecting it into one or more transmission line(s) and the components capable to measure the back-propagated signal and to carry out the calculations necessary for the development of a reflectogram. Alternatively, these two parts can be implemented on two separate devices, each device being independently connected to the cable to be analyzed by means of two separate couplers.

RéférencesReferences

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Claims (10)

Méthode de caractérisation de défauts dans une ligne de transmission, comprenant les étapes de :
  • Générer (800) un signal numérique initial occupant une bande spectrale prédéfinie ayant une fréquence minimale et une fréquence maximale,
  • Appliquer (801), au signal numérique, plusieurs masques fréquentiels de pré-distorsion élémentaires pour générer plusieurs signaux distordus, les masques fréquentiels élémentaires (UP) étant déterminés de manière à ce que leur somme approxime un masque fréquentiel global (602) défini par une estimée de l’inverse de l’atténuation du signal limitée en amplitude à une valeur constante pour les fréquences supérieures à une fréquence seuil (k0) choisie strictement inférieure à la fréquence maximale,
  • Convertir (803) chaque signal distordu généré en signal analogique, au moyen d’un convertisseur numérique analogique (CNA),
  • Injecter successivement (804) dans la ligne de transmission les signaux distordus,
  • Pour chaque signal distordu injecté,
    1. Mesurer (805) une réflexion du signal,
    2. Convertir (806) le signal mesuré dans le domaine numérique au moyen d’un convertisseur analogique numérique (CAN),
    3. Normaliser le signal (807) en puissance,
  • Calculer (808,809) une intercorrélation moyenne des signaux réfléchis numérisés avec le signal numérique initial généré,
  • Analyser le réflectogramme pour caractériser la présence d’un défaut sur la ligne de transmission en recherchant un pic d’amplitude caractérisant une discontinuité d’impédance.
Method for characterizing faults in a transmission line, comprising the steps of:
  • Generate (800) an initial digital signal occupying a predefined spectral band having a minimum frequency and a maximum frequency,
  • Apply (801), to the digital signal, several elementary pre-distortion frequency masks to generate several distorted signals, the elementary frequency masks (U P ) being determined so that their sum approximates a global frequency mask (602) defined by an estimate of the inverse of the attenuation of the signal limited in amplitude to a constant value for frequencies above a threshold frequency (k 0 ) chosen strictly below the maximum frequency,
  • Convert (803) each distorted signal generated into an analog signal, by means of a digital analog converter (DAC),
  • Successively inject (804) the distorted signals into the transmission line,
  • For each distorted signal injected,
    1. Measure (805) a reflection of the signal,
    2. Convert (806) the measured signal into the digital domain using an analog-to-digital converter (ADC),
    3. Normalize the signal (807) in power,
  • Calculate (808,809) an average cross-correlation of the digitized reflected signals with the initial digital signal generated,
  • Analyze the reflectogram to characterize the presence of a fault on the transmission line by looking for an amplitude peak characterizing an impedance discontinuity.
Méthode de caractérisation de défauts selon la revendication 1 dans laquelle les masques fréquentiels élémentaires (Up) sont indexés chacun par une fréquence (p) de la bande spectrale prise entre la fréquence minimale et la fréquence seuil (k0), chaque masque fréquentiel élémentaire ayant une amplitude constante non nulle au-delà de son index de fréquence (p) et nulle en deçà de son index de fréquence.Method for characterizing defects according to claim 1, in which the elementary frequency masks (U p ) are each indexed by a frequency (p) of the spectral band taken between the minimum frequency and the threshold frequency (k 0 ), each elementary frequency mask having a non-zero constant amplitude above its frequency index (p) and zero below its frequency index. Méthode de caractérisation de défauts selon la revendication 2 dans laquelle chaque masque fréquentiel élémentaire (Up) est construit itérativement de la manière suivante, en faisant croitre l’index de fréquence (p) de la fréquence minimale jusqu’à la fréquence seuil (k0):
  • l’amplitude spectrale du masque (Up) est nulle pour des fréquences inférieures à l’index de fréquence,
  • l’amplitude spectrale du masque (Up) est égale à une valeur constante prédéterminée pour les fréquences supérieures à l’index de fréquence (p),
  • la valeur constante prédéterminée est prise égale à une différence entre la valeur du masque fréquentiel global (602) prise respectivement à l’index de fréquence courant (p) et à l’index de fréquence précédent (p-1).
Method for characterizing defects according to claim 2, in which each elementary frequency mask (Up) is constructed iteratively as follows, by increasing the frequency index (p) from the minimum frequency to the threshold frequency (k0):
  • the spectral amplitude of the mask (U p ) is zero for frequencies lower than the frequency index,
  • the spectral amplitude of the mask (U p ) is equal to a predetermined constant value for frequencies above the frequency index (p),
  • the predetermined constant value is taken equal to a difference between the value of the global frequency mask (602) taken respectively at the current frequency index (p) and at the previous frequency index (p-1).
Méthode de caractérisation de défauts selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la fréquence seuil (k0) est déterminée de manière à ce que le signal pré-distordu au moyen du masque fréquentiel global (602) respecte une valeur prédéterminée de puissance.Method for characterizing faults according to any one of the preceding claims, in which the threshold frequency (k 0 ) is determined so that the signal pre-distorted by means of the global frequency mask (602) respects a predetermined power value. Méthode de caractérisation de défauts selon la revendication 4 dans laquelle la valeur prédéterminée de puissance est choisie en fonction d’un paramètre de puissance du convertisseur numérique analogique (CNA).Method for characterizing faults according to claim 4, in which the predetermined power value is chosen as a function of a power parameter of the digital-analog converter (DAC). Méthode de caractérisation de défauts selon l’une quelconque des revendications 1,2 ou 3 dans laquelle la fréquence seuil choisie (k0) est celle qui offre la meilleure précision de détection du pic d’amplitude caractérisant une discontinuité d’impédance.Method for characterizing faults according to any one of Claims 1, 2 or 3, in which the chosen threshold frequency (k 0 ) is that which offers the best detection accuracy of the amplitude peak characterizing an impedance discontinuity. Méthode de caractérisation de défauts selon l’une quelconque des revendications 1,2 ou 3 dans laquelle la fréquence seuil (k0) est choisie en fonction d’un compromis entre une compensation de la distorsion subie par le signal injecté dans la ligne et une limitation du bruit de quantification du convertisseur analogique numérique (CAN).Fault characterization method according to any one of Claims 1, 2 or 3, in which the threshold frequency (k 0 ) is chosen as a function of a compromise between compensation for the distortion undergone by the signal injected into the line and a limitation of the quantization noise of the analog-to-digital converter (ADC). Méthode de caractérisation de défauts selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le signal mesuré est normalisé (807) au moyen d’un coefficient de normalisation dépendant de la valeur constante prédéterminée du masque fréquentiel élémentaire (Up) associé au signal distordu injecté.Method for characterizing faults according to any one of the preceding claims, in which the measured signal is normalized (807) by means of a normalization coefficient depending on the predetermined constant value of the elementary frequency mask (U p ) associated with the distorted signal injected . Système de caractérisation de défauts dans une ligne de transmission, le système comprenant :
  • Un générateur (GEN) de signal numérique initial occupant une bande spectrale prédéfinie ayant une fréquence minimale et une fréquence maximale,
  • Un module de pré-distorsion (PRD) du signal généré, configuré pour générer successivement plusieurs signaux pré-distordus à partir de plusieurs masques fréquentiels de pré-distorsion élémentaires (UP), étant déterminés de manière à ce que leur somme approxime un masque fréquentiel global (602) défini par une estimée de l’inverse de l’atténuation du signal limitée en amplitude à une valeur constante pour les fréquences supérieures à une fréquence seuil (k0) choisie strictement inférieure à la fréquence maximale,
  • Un convertisseur numérique-analogique (DAC)
  • Un coupleur (CPL) pour injecter le signal analogique dans la ligne de transmission (L),
  • Un équipement de mesure (CPL) pour mesurer une réflexion du signal,
  • Un convertisseur analogique-numérique (ADC),
  • Un module de normalisation (NORM,DIV) du signal numérique,
  • Des moyens de calcul (COR,ADD) configurés pour calculer intercorrélation moyenne des signaux réfléchis numérisés avec le signal numérique initial généré,
  • Un module d’analyse du réflectogramme pour caractériser la présence d’un défaut sur la ligne de transmission en recherchant un pic d’amplitude caractérisant une discontinuité d’impédance.
A system for characterizing faults in a transmission line, the system comprising:
  • An initial digital signal generator (GEN) occupying a predefined spectral band having a minimum frequency and a maximum frequency,
  • A pre-distortion module (PRD) of the generated signal, configured to successively generate several pre-distorted signals from several elementary pre-distortion frequency masks (U P ), being determined so that their sum approximates a mask global frequency (602) defined by an estimate of the inverse of the attenuation of the signal limited in amplitude to a constant value for frequencies above a threshold frequency (k 0 ) chosen strictly below the maximum frequency,
  • A digital-to-analog converter (DAC)
  • A coupler (CPL) to inject the analog signal into the transmission line (L),
  • A measuring equipment (CPL) to measure a reflection of the signal,
  • An analog-to-digital converter (ADC),
  • A normalization module (NORM,DIV) of the digital signal,
  • Calculation means (COR, ADD) configured to calculate the average intercorrelation of the digitized reflected signals with the initial digital signal generated,
  • A reflectogram analysis module to characterize the presence of a fault on the transmission line by searching for an amplitude peak characterizing an impedance discontinuity.
Système de réflectométrie selon la revendication 9 comprenant en outre un module (IFFT) de conversion des signaux pré-distordus générés du domaine fréquentiel vers le domaine temporel.Reflectometry system according to claim 9 further comprising a module (IFFT) for converting the pre-distorted signals generated from the frequency domain to the time domain.
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