EP4631194A1 - Procédé de compensation de retard dans un réseau de transmission de données basé sur le protocole tdma - Google Patents

Procédé de compensation de retard dans un réseau de transmission de données basé sur le protocole tdma

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Publication number
EP4631194A1
EP4631194A1 EP23841279.5A EP23841279A EP4631194A1 EP 4631194 A1 EP4631194 A1 EP 4631194A1 EP 23841279 A EP23841279 A EP 23841279A EP 4631194 A1 EP4631194 A1 EP 4631194A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
master
data
delay
slave device
slave
Prior art date
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Pending
Application number
EP23841279.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Thomas
Aurélien Thomas HERNANDEZ
Raouia GHODHBANE MASMOUDI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP4631194A1 publication Critical patent/EP4631194A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J3/00—Time-division multiplex systems
    • H04J3/02—Details
    • H04J3/06—Synchronising arrangements
    • H04J3/0635—Clock or time synchronisation in a network
    • H04J3/0638—Clock or time synchronisation among nodes; Internode synchronisation
    • H04J3/0652—Synchronisation among time division multiple access [TDMA] nodes, e.g. time triggered protocol [TTP]

Definitions

  • TITLE Delay compensation method in a data transmission network based on the TDMA protocol
  • the present invention relates to data transmission networks, and relates more particularly to the temporal synchronization of the exchanges of such data according to the time division multiple access protocol.
  • each sensor used in an aircraft is independently connected by a cable to a computer ensuring the processing of its data.
  • the associated wiring to each of the sensors then becomes particularly imposing, which poses problems of mass and size. Therefore, adding new sensors is restrictive.
  • AFDX Alteronics Full-Duplex Switched Ethernet in English
  • a device M l configured as “master” and devices configured “slaves” El, E2, ..., EN.
  • a master or slave device is defined as being a set of electronic components ensuring interfacing between the sensors and the computer and jointly ensuring communication between the sensors and the computer.
  • “Slave” devices have the ability to interface with multiple sensors with different applications, and receive the data measured by them.
  • the “master” device M l which is connected to an aeronautical computer, triggers the reception of data from each of the “slave” devices in order to transmit all of the data collected to the aeronautical computer.
  • the “master” device manages communication on the sensor network.
  • the master device M l transmits a setpoint TR3 in the form of a sequence of data to each “slave” node El, E2, ..., EN.
  • each “slave” device El, E2, ..., EN has programmable electronic means configured to transmit data TR2 to the “master” device M l, to indicate to it that the task has been successfully completed. been carried out for example.
  • a protocol used for this type of link is a so-called time multiplexing protocol, as by example TDMA - time division multiple access protocol (for “Temporal Division Multiple Access” in English).
  • each TR3 sequence has a duration of around 1ms.
  • the master device M l includes a master clock which clocks the transmission of data in each of the TR3 sequences.
  • each slave device X I, X2, ..., XN includes a slave clock which clocks the reception of data in each of the TR3 sequences.
  • Each data frame TR I includes a master signal M, comprising data relating to the master device M l such as sensor reading commands, or supervision and maintenance commands. Said frame TR I also includes an analog synchronization signal S.
  • Each data frame TR2 comprises a plurality of time intervals X I, X2, ..., XN (time slots in English) intended for the transmission of data from each slave node E l, E2, ..., EN to the master device M l.
  • N 20 slave devices.
  • Each slave device El, E2, ..., EN then has the possibility of communicating the data TR2 with the master device M l during a time interval allocated to it and thus avoiding the risk of data interaction with the others slave devices.
  • each slave device El, E2, ..., EN must be clocked on the same reference clock.
  • Patent FR 3 108 817 describes the transmission of an analog synchronization signal S in each TRI data sequence.
  • the synchronization signal S comprises an amplitude adjustment portion SI, which is in the form of a sinusoidal wave having a constant amplitude during a predetermined number of pulses and an optimized synchronization portion S2, which is in the form of the shape of a triangular-shaped amplitude modulation of the sine wave.
  • the optimized synchronization portion S2 does not have a constant amplitude but a variable amplitude, thus the transition between the increasing phase and the decreasing phase is detectable quickly and precisely, which makes it possible to determine a very precise TOP reference instant. It is thus possible to synchronize the master and slave clocks and very precisely timestamp time intervals of each TR3 sequence.
  • the reference instant TOP thus makes it possible to define the start of the period at which data XI, X2, ..., XN are sent respectively by each of the slave devices El, E2, ..., EN to the master device M l .
  • each device whether master or slave, can lead, through their electronic components, to the addition of a propagation delay of the synchronization signal S or the data TR2.
  • This delay also changes depending on the temperature at the level of the master device and the slave devices, which can become problematic in an environment with high thermal constraints.
  • This delay can also change depending on the transmission time due in particular to a long distance between the master device and the slave devices.
  • the challenge is therefore to overcome the problems mentioned above.
  • the invention allows each of the master/slave nodes to synchronize independently.
  • the subject of the invention is a method for compensating delay in a bidirectional data transmission network based on the TDMA protocol, between a master device and at least one slave device, said delay being due to electronic means of transmission of internal data to the master and slave devices, the method comprising the following iterative steps:
  • Each node is thus capable of measuring its own electronics by “looping back”, without affecting other nodes on the electrical cable. Each node then uses this measurement to change the instant at which it will transmit on the electrical cable and center its listening window for the receiving signal.
  • each device autonomously measures the delay generated by the propagation of signals within its circuit.
  • electronic transmission namely transmission and reception of data.
  • a master or slave device when a master or slave device is in a communicating group, it is not essential that it acquires the values of the delays generated by other devices.
  • the slave device is synchronized to an analog synchronization signal transmitted by the master device.
  • a reference instant defining the start of a period of sending data to each slave device is extracted from the data transmitted by the master device.
  • the internal delay is measured by looping a loopback signal between the output and the input of each master and slave device and by measuring the propagation time of the looped signal between the output and the input of each master and slave device.
  • the loopback signal is generated at regular time intervals.
  • the invention also relates to a bidirectional data transmission system comprising a master device and at least one slave device, said system being capable of implementing bidirectional data communication between the master device and the slave device, the master device and the slave device comprising electronic means for transmitting data according to a time division multiple access protocol, the data transmission system comprising means for synchronizing the slave device on the master device, by synchronization on a synchronization signal emitted by the master device, means for measuring the internal delay introduced by the electronic data transmission means for each master and slave device and means for compensating the measured internal delay.
  • the means for measuring the internal delay comprise means for looping a signal between the output and the input of each master and slave device and means for measuring the duration propagation of the signal looped between the output and the input of each master and slave device.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising at least one system as defined above.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a turbomachine as defined above.
  • the invention also relates to an aircraft comprising at least one system capable of implementing bidirectional data communication as defined above.
  • FIG. l schematically presents a master device communicating with a set of slave devices
  • FIG.2 schematically represents a data frame transmitted by the master device to the slave device according to the invention
  • FIG.3 illustrates a data communication system comprising a master device and a slave device according to the prior art
  • FIG.4b illustrate means for measuring a delay by looping between the data transmission and acquisition means of the master device and the slave device, respectively, according to one embodiment of the invention
  • FIG.5b illustrate the principle of delay compensation implemented by means of the method and device according to the invention, and illustrate the transmission of a data sequence respectively without delay compensation, and with delay compensation;
  • FIG.6 presents a flowchart of a compensation process according to one mode of implementation of the invention.
  • FIG 3 there is shown an electronic system 1 which comprises the master electronic device M l as well as the slave electronic device E l.
  • slave devices E2, ..., EN are not illustrated in said figure. Reference will then be made to a single slave device El but this does not exclude the coupling of the device master M l with a plurality of slave devices having an electronic architecture similar to the slave device E l.
  • the electronic system 1 comprises a transmission line 2 capable of propagating a signal analog electric.
  • the transmission line 2 is then coupled to transmission means 4 and to acquisition means 5 of the master device 1 on the one hand, and to transmission means 6 and reception means 7 of the slave device E l, d ' somewhere else.
  • the transmission means 4 comprise a chain of electronic components capable of transforming a digital signal into an analog signal and then transmitting it to the slave device E l via the transmission line 2.
  • each TR3 data sequence comprises a TRI header frame and a TR2 data frame.
  • the TRI frame comprises a master signal M, comprising data from the master device M l, transmitted by the master device M l for the slave devices E l, E2, ..., EN, an analog synchronization signal S, transmitted by the master device M l for slave devices E l, E2, ..., EN.
  • the signal S makes it possible in particular to timestamp the time intervals of the frames of the TR3 data sequence very precisely.
  • Each TR2 frame also includes time intervals X 1 -X20 intended for the transmission of data from each slave device to the master device M l.
  • the analog synchronization signal S comprises an amplitude adjustment portion SI which is in the form of a sinusoidal wave having a constant amplitude during a predetermined number of pulses and a synchronization portion optimized so as to determine an instant of reference TOP according to patent FR 3 108 817.
  • the reference time TOP makes it possible to define the start of the period at which data XI, X2, ..., XN are sent respectively by each of the slave devices to the master device.
  • This TOP reference instant is known with great precision.
  • it makes it possible to precisely determine the time period between two TOP reference instants, which is of the order of 1 ms, in order to deduce the frequency of the master clock and possibly correct the frequency of the slave clock.
  • the reception means 7 comprise a chain of electronic components intended to filter the analog signal TR3 received by the transmission means 4 and to transform it into a digital signal to be processed.
  • the transmission means 6 of the slave device E l their function is to transmit an analog signal to the acquisition means 5 capable of filtering it and then transforming it into a digital signal.
  • the analog signal is ideally transmitted by the transmission means 6 during the time interval allocated to the slave device El and includes the data TR2 which are transmitted to the master device.
  • the electronic components of the transmission means 4 and acquisition means 5 of the master device M l as well as those of the transmission means 6 and reception means 7 of the slave device E l are likely to add a propagation delay of the signal S synchronization or TRI and TR2 data.
  • This delay also changes as a function of the temperature at the level of the master device M l and the slave device E l and/or as a function of the transmission time in particular due to a long connection distance between the master device and the slave devices.
  • the delay remains substantially equal to DI because the delay linked to the propagation of the signal through the transmission line 2 remains negligible.
  • the delay generated is of the order of 200 nanoseconds at most.
  • MMSE frequency compensation for “Minimum Mean Square Error”
  • the reception of the analog signal TR2 and its transformation into a digital signal by the acquisition means 5 is likely to extend the delay by a duration D4 measured at a fourth observation point N4.
  • Knowing said delays D l, D2, D3 and D4 makes it possible to synchronize the windows for transmitting the signal X I -...XN and listening for the signal X I -...XN during such a data exchange.
  • Figure 4a illustrates the master device M1 which further comprises measuring means 8a coupled to the transmission means 4 and to the acquisition means 5.
  • Such measuring means 8a are capable of generating an analog loopback signal intended to propagate exclusively between the transmission means 4 and data acquisition means 5 and undergoing a propagation delay due to the electronic transmission means of the master device.
  • the master device M l comprises a first switch 9a capable of coupling and decoupling the transmission means 4 and the acquisition means 5.
  • the master device M l further comprises a second switch 10a capable of coupling and decoupling the transmission means 4 and the transmission line 2.
  • a third switch l i a is also arranged between the acquisition means 5 and the transmission line 2 so as to couple and decouple the reception means 5 and the transmission line 2.
  • the measuring means 8a can close the first switch 9a and open the switches 10a and 1 al to circulate the loopback signal only between the transmission means 4 and data acquisition means 5.
  • the propagation delay of the loopback signal therefore corresponds to a first delay value Tl substantially equal to the sum of the delays D I and D4.
  • this also includes an electronic architecture similar to that of the master device M l and comprises, likewise, measuring means 8b coupled to the transmission means 6 and to the means of reception 7, as well as switches 9b, 10b, and 1 1b, so as to generate a loopback signal intended to propagate exclusively between the reception means 7 and the transmission means 6 and undergoing a propagation delay due to the electronic means transmission of the slave device.
  • a second delay value T2 is thus measured and corresponds substantially to the sum of the delays D2 and D3.
  • each device M l, E l autonomously measures the delay generated by the propagation of data within its transmission circuit and its data reception circuit.
  • the delay values Tl and T2 are measured periodically in order to update them according to the evolution of the temperature at the level of the master device M l and the slave device El.
  • periodic we mean the fact that the master and slave devices are available (that is to say that they are not monopolized by sending data at this precise moment). This measurement is carried out once per cycle, each cycle preferably having a duration of 1 ms.
  • guard interval we mean an interval in which the master or slave devices are free, that is to say they are neither transmitting nor receiving.
  • FIGS. 5a and 5b represent the electronic system 1 in which the delays T l and T2 were measured before the transmission of a data sequence TR3, respectively before compensation and after compensation.
  • observation points N 1 and N6 are observation points of the master device M l
  • observation points N2 and N5 are observation points of the transmission line 2
  • the points of observation observation N3 and N4 are observation points of the slave device.
  • the channel delay De represents the propagation time between the master device and the slave device, which is smaller than the delay due to the electronics compensated by means of the delay compensation method according to the invention, and which will be compensated by the channel compensation.
  • the delay due to the transmission chain (Tx) of the master device and the reception chain (Rx) of the slave device is: D l + D2.
  • the delay due to the transmission chain (Tx) of the slave device and the reception chain (Rx) of the device is: D3+D4.
  • N5 D 1 +D2+D3
  • N6 (D 1+D4) + (D2+D3).
  • the delay applies to both the TOP synchronization pulse and the data so that the time window is aligned with the allocated slot, without time offset.
  • the synchronization problem arises in particular in the return direction, i.e. when transmitting signals from the nodes to the master device.
  • the delay from the slave device E l is compensated by a movement of the temporal listening window of the slave device El.
  • the acquisition means 5 of the master device M l they are able to start receiving the data TR2 as a function of the first delay value T l.
  • the acquisition means 5 are configured to delay the activation of the temporal listening window of the device master M l of a duration substantially equal to the first measured delay value Tl.
  • the receiver of the slave node sends its signal in anticipation.
  • the balance of delays is thus D I +D2 - (D2 + D3) or D I - D3.
  • the delay from the transmitter to the N5 device is compensated by anticipation.
  • the balance of delays is D 1 -D3+D3, or D l. Note that this delay is compensated by another method (MMSE for example).
  • FIG. 6 illustrates a flowchart of a delay compensation method implemented during bidirectional data communication between the master device M l and the slave device El implemented by the electronic system 1 according to the invention. Note that the steps of the process are implemented iteratively and are constantly looped.
  • the method begins with a step 100, during which the transmission means 4 transmit a data sequence TR3 to the slave device E l.
  • the data sequence TR3 includes data frames TR I and TR2.
  • the reference TOP is extracted from the synchronization signal S, more particularly from the optimized synchronization portion S2, transmitted by the master device.
  • the internal delay introduced by the electronics of each master and slave device is measured using the internal feedback system described previously.
  • the transmission means 7 of the slave advance the data transmission TR2 by a duration equal to the second delay value T2.
  • the slave devices When transmitting from slave devices to the master device, the slave devices must compensate for their time delay. Each slave device will transmit earlier in its slot Xn and advances its transmission window by T2.
  • step 300 the acquisition means 5 receive the data TR2 and delay their temporal listening window by a duration equal to the first known delay value Tl, as described previously with reference to Figure 5a, 5b.
  • the system uses the measured delay to compensate for delays in two steps:
  • step 300 the delays are compensated using the measurements obtained in step 200.
  • the TDMA protocol can be combined with the method of coding digital signals by orthogonal frequency division in the form of multiple OFDM subcarriers (for “Orthogonal Frequency Division Multiplex” according to the Anglo-Saxon term).
  • Phase-Shift Keying it is possible to perform single-carrier modulation by PSK phase change (“Phase-Shift Keying”).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Time-Division Multiplex Systems (AREA)
  • Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de compensation de retard dans un réseau de transmission bidirectionnel de données basé sur le protocole TDMA, entre un dispositif maître (M1) et au moins un dispositif esclave (E1), ledit retard étant dû à des moyens électroniques de transmission de données internes aux dispositifs maître et esclave. Le procédé comprenant les étapes itératives suivantes: - la synchronisation du disposit if esclave sur le disposit if maître par synchronisation sur un signal de synchronisation (S) émis par le dispositif maître; - la mesure du retard interne introduit par des moyens électroniques de transmission de données pour chaque dispositif maître et; et - la compensation du retard interne mesuré.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de compensation de retard dans un réseau de transmission de données basé sur le protocole TDMA
Domaine technique
La présente invention concerne les réseaux de transmission de données, et se rapporte plus particulièrement à la synchronisation temporelle des échanges de telles données selon le protocole à accès multiple par répartition dans le temps.
Etat de la technique antérieure
Actuellement, les systèmes aéronautiques et avioniques emploient un très grand nombre de capteurs pour différents usages. Ces capteurs peuvent être regroupés en trois grandes catégories d’ application : régulation : ce sont les capteurs les plus critiques car les données mesurées par ces capteurs sont utilisées pour réguler les systèmes mécaniques et hydrauliques d’un équipement aéronautique en vol. Elles servent à asservir le système ; surveillance : les données obtenues par ces capteurs servent à surveiller le comportement ainsi que l’ état de santé d’un système ou d’une structure d’un aéronef en vol ; instrumentation : les données mesurées par ces capteurs servent à des bancs d’essai au sol et en vol afin de valider et d’ effectuer la maintenance d’ équipements aéronautiques. Les bancs sont complexes car ils emploient un très grand nombre de capteurs.
Ainsi chaque capteur utilisé dans un aéronef est indépendamment relié par un câble vers un calculateur assurant le traitement de ses données. On parle alors de topologie point par point. Le câblage associé à chacun des capteurs devient alors particulièrement imposant, ce qui pose des problèmes de masse et d’ encombrement. De ce fait, l’ ajout de nouveaux capteurs est contraignant.
Il existe des configurations permettant à plusieurs capteurs de communiquer avec un seul calculateur via un même câble, comme par exemple l’ AFDX (Avionics Full-Duplex Switched Ethernet en anglais).
A titre d’ exemple, tel qu’ illustré à la figure 1 , on distingue deux types de dispositifs mis en œuvre pour assurer la communication des capteurs avec le calculateur, à savoir un dispositif M l configuré comme étant « maître » et des dispositifs configurés « esclaves » El, E2, ..., EN. On définit un dispositif maître ou esclave comme étant un ensemble de composants électroniques assurant l’interfaçage entre les capteurs et le calculateur et assurant conjointement la communication entre les capteurs et le calculateur. Les dispositifs « esclaves » ont la capacité de s’interfacer avec de multiples capteurs avec des applications différentes, et reçoivent les données mesurées par ceux-ci. Le dispositif « maitre » M l , qui est relié à un calculateur aéronautique, déclenche la réception des données auprès de chacun des dispositifs « esclaves » afin de transmettre l’ ensemble des données recueillies au calculateur aéronautique. Ainsi, le dispositif « maître » gère la communication sur le réseau de capteurs.
Ainsi, le dispositif maître M l transmet une consigne TR3 sous forme d’une séquence de de données à chaque nœud « esclave » El, E2, ..., EN.
Dans le cadre d’une communication bidirectionnelle, chaque dispositif « esclave » El, E2, ..., EN dispose de moyens électroniques programmables configurés pour transmettre des données TR2 au dispositif « maitre » M l , pour lui indiquer que la tâche a bien été effectuée par exemple.
Le fait qu’une pluralité de dispositifs esclaves El, E2, ..., EN échangent par la même liaison des données avec le dispositif maître M l impose de multiplexer les données . Un protocole utilisé pour ce type de liaison est un protocole de multiplexage dit temporel, comme par exemple le TDMA - protocole à accès multiple par répartition dans le temps (pour « Temporal Division Multiple Access » en anglais).
Ainsi, comme illustré dans la figure 2, les séquences de données TR3 , transmises par le dispositif maître M l vers chaque dispositif esclave El, E2, ..., EN, comportent des trames de données TR I et TR2. Dans cet exemple, chaque séquence TR3 possède une durée de l’ ordre de 1ms.
Le dispositif maître M l comporte une horloge maître qui cadence l’ émission des données dans chacune des séquences TR3. De manière analogue, chaque dispositif esclave X I , X2, ... , XN comporte une horloge esclave qui cadence la réception des données dans chacune des séquences TR3.
Chaque trame de données TR I comprend un signal maître M, comprenant des données relatives au dispositif maître M l comme des commandes de lecture de capteurs, ou des commandes de supervision et maintenance. Ladite trame TR I comprend également un signal analogique de synchronisation S .
Chaque trame de données TR2 comporte une pluralité d’ intervalles de temps X I , X2, ... , XN (time slots en langue anglaise) destinés à la transmission de données de chaque nœud esclave E l , E2, ... , EN vers le dispositif maître M l . Dans cet exemple, nous prendrons N=20 dispositifs esclaves.
Chaque dispositif esclave El, E2, ..., EN a alors la possibilité de faire communiquer les données TR2 avec le dispositif maître M l pendant un intervalle de temps qui lui est alloué et éviter ainsi le risque d’interaction de données avec les autres dispositifs esclaves.
Pour ce faire, il est nécessaire que l’horloge esclave de chaque dispositif esclave El, E2, ..., EN, destinée à cadencer l’ émission et la réception de données, soit parfaitement synchronisée avec l’horloge maître du dispositif maître M l .
Autrement dit, l’horloge esclave de chaque dispositif esclave El, E2, ..., EN doit être cadencée sur une même horloge de référence.
Le brevet FR 3 108 817 décrit l’ émission d’un signal analogique de synchronisation S dans chaque séquence de données TRI . Le signal de synchronisation S comprend une portion de de réglage d’ amplitude S I , qui se présente sous la forme d’une onde sinusoïdale ayant une amplitude constante pendant un nombre d’ impulsions prédéterminés et une portion de synchronisation optimisée S2, qui se présente sous la forme d’une modulation d’ amplitude de forme triangulaire de l’ onde sinusoïdale. La portion de synchronisation optimisée S2 n’ a pas une amplitude constante mais une amplitude variable, ainsi la transition entre la phase croissante et la phase décroissante est détectable de manière rapide et précise, ce qui permet de déterminer un instant de référence TOP très précis. On peut ainsi synchroniser les horloges maître et esclaves et horodater de manière très précise des intervalles de temps de chaque séquence TR3. L’ instant de référence TOP permet ainsi de définir le début de la période à laquelle des donnés X I , X2, ... , XN sont envoyées respectivement par chacun des dispositifs esclaves El , E2, ... , EN au dispositif maître M l .
Or, les circuits d’ émission et de réception de chaque dispositif, qu’il soit maître ou esclave, peuvent conduire de par leurs composants électroniques à l’ ajout d’un retard de propagation du signal de synchronisation S ou des données TR2.
Ce retard évolue par ailleurs en fonction de la température au niveau du dispositif maître et des dispositifs esclaves, ce qui peut devenir problématique dans un environnement à fortes contraintes thermiques.
Ce retard peut également évoluer en fonction du temps de transmission dû notamment à une longue distance entre le dispositif maître et les dispositifs esclaves .
Pour pallier ces décalages temporels, il est fait usage de techniques de traitement du signal très « poussées » . Bien que très efficaces, ces techniques ajoutent de la complexité au niveau du système communicant, soit au niveau de la puissance de calcul/traitement électronique nécessaire, soit parce qu’ elles augmentent la quantité d’ informations à transmettre car les données mesurées sont transmises mutuellement entre dispositifs ou sur un canal spécifique. A titre d’ exemple, lorsque la ligne de transmission a une longueur de 30 mètres, le retard engendré est de l’ ordre de 200 nanosecondes.
Il est par ailleurs possible d’ éliminer ce retard par compensation fréquentielle, par exemple en utilisant la technique de compensation connue sous le terme de « Least squares (LS) » ou « Minimum Mean Square Error (MMSE )» .
L’ enjeu est donc de pallier les problèmes précédemment cités .
Exposé de l’invention
Au vu de ce qui précède, l’invention permet à chacun des nœuds maître/esclaves de se synchroniser de manière indépendante.
Pour ce faire, l’invention a pour objet un procédé de compensation de retard dans un réseau de transmission bidirectionnel de données basé sur le protocole TDMA, entre un dispositif maître et au moins un dispositif esclave, ledit retard étant dû à des moyens électroniques de transmission de données internes aux dispositifs maître et esclave, le procédé comprenant les étapes itératives suivantes :
- la synchronisation du dispositif esclave sur le dispositif maître, par synchronisation sur un signal de synchronisation émis par le dispositif maître ;
- la mesure du retard interne introduit par des moyens électroniques de transmission de données pour chaque dispositif maître et esclave ; et
- la compensation du retard interne mesuré.
Ces étapes sont répétées en boucle.
Chaque nœud est ainsi capable d’effectuer une mesure de sa propre électronique par « rebouclage » , et ce, sans affecter d’ autres nœuds sur le câble électrique. Chaque nœud utilise alors cette mesure pour changer l’ instant à laquelle il va émettre sur le câble électrique et centrer sa fenêtre d’ écoute du signal en réception.
A ce titre, chaque dispositif mesure de manière autonome le retard engendré par la propagation de signaux au sein de son circuit électronique de transmission, à savoir d’émission et de réception de données.
Autrement dit, il n’ est pas nécessaire qu’un dispositif esclave connaisse le retard généré par le dispositif maître.
De même, lorsqu’un dispositif maitre ou esclave est dans un groupe communiquant, il n’ est pas indispensable qu’il acquière les valeurs des retards engendrés par d’ autres dispositifs.
On libère ainsi de la bande passante et on augmente par conséquent la vitesse d’ échange de données entre le dispositif maître et le dispositif esclave. En effet, on n’utilise pas de trame d’ apprentissage pour la synchronisation entre les dispositifs, ce qui permet de libérer la bande passante.
Avantageusement, lors de l’ étape de synchronisation du dispositif maître sur le dispositif esclave, le dispositif esclave est synchronisé sur un signal de synchronisation analogique émis par le dispositif maître.
En outre, lors de l’ étape de synchronisation du dispositif esclave sur le dispositif maître, on extrait des données émises par le dispositif maître un instant de référence définissant le début d’une période d’ envoi des données vers chaque dispositif esclave.
Selon une caractéristique de l’ invention, le retard interne est mesuré en bouclant un signal de bouclage entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave et en mesurant la durée de propagation du signal bouclé entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave.
Avantageusement, le signal de bouclage est généré par intervalle de temps réguliers.
Les données sont transmises sous forme de séquences de données. Pour chaque séquence de données, la réception est retardée d’une durée sensiblement égale à une première valeur de retard relatif au dispositif maître, et la transmission de données est avancée d’une durée sensiblement égale à une deuxième valeur de retard relatif au dispositif esclave. L’invention a également pour objet un système de transmission bidirectionnel de données comprenant un dispositif maître et au moins un dispositif esclave, ledit système étant apte à mettre en œuvre une communication bidirectionnelle de données entre le dispositif maître et le dispositif esclave, le dispositif maître et le dispositif esclave comprenant des moyens électroniques de transmission de données selon un protocole à accès multiple par répartition dans le temps, le système de transmission de données comprenant des moyens de synchronisation du dispositif esclave sur le dispositif maître, par synchronisation sur un signal de synchronisation émis par le dispositif maître, des moyens de mesure du retard interne introduit par les moyens électroniques de transmission de données pour chaque dispositif maître et esclave et des moyens de compensation du retard interne mesuré.
Selon une autre caractéristique du système de transmission selon l’ invention, les moyens de mesure du retard interne comprennent des moyens de bouclage d’un signal entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave et des moyens de mesure de la durée de propagation du signal bouclé entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave.
L’invention a également pour objet une turbomachine comprenant au moins un système tel que défini ci-dessus.
Elle a en outre pour objet un capteur pour application aéronautique, notamment de régulation, surveillance et/ou d’ instrumentation comprenant un système tel que défini ci-dessus.
L’ invention a encore pour objet un aéronef comprenant une turbomachine telle que définie ci-dessus.
L’ invention a également pour objet un aéronef comprenant au moins un système apte à mettre en œuvre une communication bidirectionnelle de données tel quel définie ci-dessus.
Brève description des dessins
D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’ exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. l ] , dont il a déj à été fait mention, présente de manière schématique un dispositif maître communiquant avec un ensemble de dispositifs esclaves ;
[Fig.2] , précédemment mentionnée, représente schématiquement une trame de données émise par le dispositif maître vers le dispositif esclave selon l’ invention ;
[Fig.3] illustre un système de communication de données comprenant un dispositif maître et un dispositif esclave selon l’ art antérieur;
[Fig.4a]et
[Fig.4b] illustrent des moyens de mesure d’un retard par bouclage entre les moyens d’ émission et d’ acquisition de données du dispositif maître et du dispositif esclave, respectivement, selon un mode de réalisation de l’ invention ;
[Fig . 5a]et
[Fig.5b] illustrent le principe de la compensation du retard mise en œuvre au moyen du procédé et du dispositif selon l’ invention, et illustrent la transmission d’une séquence de données respectivement sans compensation de retard, et avec compensation de retard ;et
[Fig.6] présente un logigramme d’un procédé de compensation selon un mode de mise en œuvre de l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation de l’invention
Sur la figure 3 est représenté un système électronique 1 qui comprend le dispositif électronique maître M l ainsi que le dispositif électronique esclave E l .
Par souci de clarté, les dispositifs esclaves E2, ... , EN ne sont pas illustrés dans ladite figure. Il sera alors fait référence à un seul dispositif esclave El mais cela n’ exclue pas le couplage du dispositif maître M l avec une pluralité de dispositifs esclaves ayant une architecture électronique similaire au dispositif esclave E l .
Afin de mettre en œuvre une communication bidirectionnelle de données entre le dispositif maître M l et le dispositif esclave E l selon le protocole à accès multiple par répartition dans le temps TDMA, le système électronique 1 comporte une ligne de transmission 2 apte à propager un signal électrique analogique.
La ligne de transmission 2 est alors couplée à des moyens d’ émission 4 et à des moyens d’ acquisition 5 du dispositif maître 1 d’une part, et à des moyens de transmission 6 et de réception 7 du dispositif esclave E l , d’ autre part.
Plus particulièrement, les moyens d’ émission 4 comportent une chaîne de composants électroniques aptes à transformer un signal numérique en un signal analogique pour ensuite l’ émettre au dispositif esclave E l via la ligne de transmission 2.
Comme décrit précédemment en référence à la figure 2, chaque séquence de données TR3 comprend une trame d’ en-tête TRI et une trame de données TR2. La trame TRI comporte un signal maître M, comportant des données du dispositif maître M l , émis par le dispositif maître M l pour les dispositifs esclaves E l , E2, ... , EN, un signal analogique de synchronisation S, émis par le dispositif maître M l pour les dispositifs esclaves E l , E2, ... , EN. Le signal S permet notamment d’horodater les intervalles de temps des trames de la séquence de données TR3 de manière très précise. Chaque trame TR2 comporte également des intervalles de temps X 1 -X20 destinés à la transmission de données de chaque dispositif esclave vers le dispositif maître M l .
Le signal analogique de synchronisation S comprend une portion de réglage d’ amplitude S I qui se présente sous la forme d’une onde sinusoïdale ayant une amplitude constante pendant un nombre d’ impulsions prédéterminé et une portion de synchronisation optimisée de manière à déterminer un instant de référence TOP selon le brevet FR 3 108 817. L’instant de référence TOP permet de définir le début de la période à laquelle des données X I , X2, ... ,XN sont envoyées respectivement par chacun des dispositifs esclaves au dispositif maitre. Cet instant de référence TOP est connu avec une grande précision. De plus, il permet de déterminer précisément la période de temps entre deux instants de référence TOP, qui est de l’ ordre de 1 ms, afin d’ en déduire la fréquence de l’horloge maître et de corriger éventuellement la fréquence de l’horloge esclave.
A ce titre, les moyens de réception 7 comprennent une chaîne de composants électroniques destinés à filtrer le signal analogique TR3 reçu par les moyens d’ émission 4 et à le transformer en un signal numérique à traiter.
Quant aux moyens de transmission 6 du dispositif esclave E l , ils ont pour fonction d’émettre un signal analogique vers les moyens d’ acquisition 5 aptes à le filtrer puis à le transformer en un signal numérique. Le signal analogique est idéalement émis par les moyens de transmission 6 durant l’intervalle de temps alloué au dispositif esclave El et comprend les données TR2 qui sont transmises vers le dispositif maitre.
Toutefois, les composants électroniques des moyens d’ émission 4 et d’ acquisition 5 du dispositif maître M l ainsi que ceux des moyens de transmission 6 et de réception 7 du dispositif esclave E l sont susceptibles d'aj outer un retard de propagation du signal de synchronisation S ou des données TRI et TR2.
Ce retard évolue par ailleurs en fonction de la température au niveau du dispositif maître M l et du dispositif esclave E l et/ou en fonction du temps de transmission notamment dû à une longue distance de liaison entre le dispositif maître et les dispositifs esclaves.
Ainsi, à un premier point d’ observation N I disposé entre la ligne de transmission 2 et les moyens d’émission 4, le retard de propagation D I du signal analogique TR I émis au dispositif esclave E l est observé.
A un deuxième point d’ observation N2 situé entre la ligne de transmission 2 et les moyens de réception 7, le retard reste sensiblement égal à D I car le retard lié à la propagation du signal à travers la ligne de transmission 2 reste négligeable. A titre d’ exemple, lorsque la ligne de transmission 2 a une longueur de 30 mètres, le retard engendré est de l’ ordre de 200 nanosecondes tout au plus.
Il est par ailleurs possible d’ éliminer ce retard par compensation fréquentielle MMSE (pour « Minimum Mean Square Error ») , par exemple.
Lorsque le signal TR I est réceptionné par les moyens de réception 7 et transformé en un signal numérique, un retard D2 est ajouté.
De même, la transformation du signal numérique en un signal analogique TR2 apte à être transmis par les moyens de transmission 6, conduit à l’ addition d’un retard D3 mesuré à un troisième point d’ observation N3.
Enfin, la réception du signal analogique TR2 et sa transformation en un signal numérique par les moyens d'acquisition 5 est susceptible d’ allonger le retard d’une durée D4 mesurée à un quatrième point d’ observation N4.
Il est donc important de compenser les retards de propagation D l , D2, D3 et D4 lors de la mise en œuvre d’une communication de données entre le dispositif maître M l et le dispositif esclave E l selon le protocole TDMA.
Connaître lesdits retards D l , D2, D3 et D4 permet de synchroniser les fenêtres de transmission du signal X I -.. .XN et d’ écoute du signal X I -.. .XN lors d’un tel échange de données.
A cet effet, la figure 4a illustre le dispositif maître M l qui comporte en outre des moyens de mesure 8a couplés aux moyens d’ émission 4 et aux moyens d’ acquisition 5.
De tels moyens de mesure 8a sont aptes à générer un signal analogique de bouclage destiné à se propager exclusivement entre les moyens d’ émission 4 et d’ acquisition de données 5 et subissant un délai de propagation dû aux moyens électroniques de transmission du dispositif maître. Pour ce faire, le dispositif maître M l comporte un premier interrupteur 9a apte à coupler et à découpler les moyens d’ émission 4 et les moyens d’ acquisition 5.
Le dispositif maître M l comprend en outre un deuxième interrupteur 10a apte à coupler et à découpler les moyens d’ émission 4 et la ligne de transmission 2.
Un troisième interrupteur l i a est également disposé entre les moyens d’ acquisition 5 et la ligne de transmission 2 de manière à coupler et à découpler les moyens de réception 5 et la ligne de transmission 2.
Ainsi, les moyens de mesure 8a peuvent fermer le premier interrupteur 9a et ouvrir les interrupteurs 10a et l al pour faire circuler le signal de bouclage uniquement entre les moyens d’ émission 4 et d’ acquisition de données 5.
Le délai de propagation du signal de bouclage correspond donc à une première valeur de retard Tl sensiblement égale à la somme des retards D I et D4.
Quant au dispositif esclave El , en référence à la figure 4b, celui- ci comporte également une architecture électronique similaire à celle du dispositif maître M l et comporte, de même, des moyens de mesure 8b couplés aux moyens de transmission 6 et aux moyens de réception 7, ainsi que des interrupteurs 9b, 10b, et 1 1b, de sorte à générer un signal de bouclage destiné à se propager exclusivement entre les moyens de réception 7 et les moyens de transmission 6 et subissant un délai de propagation dû aux moyens électroniques de transmission du dispositif esclave.
Une deuxième valeur de retard T2 est ainsi mesurée et correspond sensiblement à la somme des retards D2 et D3.
Autrement dit, chaque dispositif M l , E l mesure de manière autonome le retard engendré par la propagation de données au sein de son circuit de transmission et de son circuit de réception de données.
Comme précédemment indiqué, un retard est introduit à chaque point de vue. Les retards sont donc cumulés et additionnés à chaque point, ce qui provoque un décalage qui devient conséquent, surtout au point de vue N4. La fenêtre d’écoute du dispositif maitre M l du signal XI , X2, XN doit ainsi être centrée sur les données afin d’ éviter ces décalages. On peut ainsi anticiper le retard de l’ électronique, via le circuit développé et précédemment décrit, et adapter l’ émission des données car le retard induit, notamment par l’ électronique, est connu.
Il est à noter que les valeurs de retard Tl et T2 sont mesurées périodiquement afin de les mettre à jour en fonction de l’ évolution de la température au niveau du dispositif maître M l et du dispositif esclave El . On entend par périodique, le fait que les dispositifs maître et esclaves sont disponibles (c’ est-à-dire qu’ils ne sont pas monopolisés par un envoi de données à ce moment précis) . Cette mesure s’effectue une fois par cycle, chaque cycle ayant de préférence une durée de 1 ms.
Les signaux de bouclage sont donc générés pendant l’ intervalle de garde entre deux séquences de données TR3 successives. On entend, par intervalle de garde, un intervalle dans lequel les dispositifs maître ou esclave sont libres, c’ est-à-dire qu’ ils ne sont ni en émission ni en réception.
On se réfère aux figures 5a et 5b qui représentent le système électronique 1 dans lequel les retards T l et T2 ont été mesurés avant l’ émission d’une séquence de données TR3, respectivement avant la compensation et après la compensation.
Sur ces figures, les points d’ observation N 1 et N6 sont des points d’ observation du dispositif maître M l , les points d’ observation N2 et N5 sont des points d’ observation de la ligne de transmission 2 et les points d’ observation N3 et N4 sont des points d’ observation du dispositif esclave.
De même, sur ces figures :
Le délai D I représente le retard de la chaîne d’émission (Tx) du dispositif maître : tTx _M =D 1 ;
Le délai D2 représente le retard de la chaîne de réception (Rx) du dispositif esclave : àtTx Xn =D2 ;
Le délai D3 représente le retard de la chaîne d’émission réception (Tx) du dispositif esclave : àtRx Xn = D3 ; Le délai D4 représente le retard de la chaîne de réception (Rx) du dispositif maître : àtRx M =D4.
On notera par ailleurs que le retard de canal De représente le temps de propagation entre le dispositif maître et le dispositif esclave, qui est plus petit que le délai dû à l’ électronique compensé au moyen du procédé de compensation de retard selon l’invention, et qui sera compensé par la compensation du canal.
Ainsi, le retard dû à la chaine d’ émission (Tx) du dispositif maître et la chaîne réception (Rx) du dispositif esclave est : D l + D2.
Le retard dû à la chaine d’ émission (Tx) du dispositif esclave et la chaîne de réception (Rx) du dispositif est : D3+D4.
En référence à la figure 5a, en l’ absence de compensation, le bilan des retards aux nœuds d’ observation N I à N6 s’ écrit :
Nl=0
N2=D 1
N3=D 1+D2
N4=D 1+D2
N5 = D 1 +D2+D3
N6= (D 1+D4) + (D2+D3).
Pour le récepteur du dispositif esclave (nœud N3), le retard s’ applique aussi bien à l’ impulsion de synchronisation TOP qu’ aux données de sorte que la fenêtre temporelle est alignée sur le créneau alloué, sans décalage temporel.
Ainsi, le problème de synchronisation se pose en particulier dans le sens du retour, c’ est-à-dire lors de la transmission de signaux des nœuds vers le dispositif maître.
Ainsi, en référence à la figure 5b, le retard issu du dispositif esclave E l est compensé par un déplacement de la fenêtre d’ écoute temporelle du dispositif esclave El .
Quant aux moyens d’ acquisition 5 du dispositif maître M l , ils sont aptes à débuter la réception des données TR2 en fonction de la première valeur de retard T l .
A cet effet, les moyens d’ acquisition 5 sont configurés pour retarder l’ activation de la fenêtre d’écoute temporelle du dispositif maître M l d’une durée sensiblement égale à la première valeur de retard Tl mesurée.
Ainsi, au quatrième point d’ observation N4, le récepteur du nœud esclave envoie son signal par anticipation. Le bilan des retards est ainsi de D I +D2 - (D2 + D3) soit D I - D3.
De même, le délai de l’ émetteur au dispositif N5 est compensé par anticipation. Au nœud N5 , le bilan des retards est de D 1 -D3+D3 , soit D l .A noter que ce retard est compensé par une autre méthode (MMSE par exemple) .
Au nœud N6, le bilan des retards, dû à la compensation s’ écrit D l + D4, ce dernier délai étant compensé par le dispositif maitre en retardant sa fenêtre d’ écoute avec son délai propre mesuré.
On se réfère désormais à la figure 6 qui illustre un logigramme d’un procédé de compensation de retard mis en œuvre lors de la communication bidirectionnelle de données entre le dispositif maître M l et le dispositif esclave El mis en œuvre par le système électronique 1 selon l’ invention. On notera que les étapes du procédé sont mises en œuvre de manière itératives et sont rebouclées en permanence.
Le procédé débute par une étape 100, au cours de laquelle les moyens d’ émission 4 émettent une séquence de données TR3 vers le dispositif esclave E l .
Comme il s’ agit d’une communication de données selon le protocole TDMA, la séquence de données TR3 comporte des trames de données TR I et TR2. Lors de cette première étape 100, le TOP de référence est extrait du signal de synchronisation S, plus particulièrement de la portion de synchronisation optimisée S2, émis par le dispositif maître.
A l’ étape 200, le retard interne introduit par l’ électronique de chaque dispositif maitre et esclave est mesuré en utilisant le système de rebouclage interne décrit précédemment.
Les moyens de transmission 7 de l’ esclave avancent la transmission de données TR2 d’une durée égale à la deuxième valeur de retard T2. Lors d’une transmission des dispositifs esclaves vers le dispositif maître, les dispositifs esclaves doivent compenser leur temps de retard. Chaque dispositif esclave va émettre plus tôt dans son slot Xn et avance sa fenêtre de transmission de T2.
Enfin, à l’ étape 300, les moyens d’ acquisition 5 reçoivent les données TR2 et retardent leur fenêtre d’écoute temporelle d’une durée égale à la première valeur de retard Tl connue, comme décrit précédemment en référence à la figure 5a, 5b.
Lors que le délai de l’ électronique interne est connu, le système utilise le délai mesuré pour compenser les retards en deux temps:
Envoi (transmission) des signaux vers le dispositif maître par anticipation ;
Retard de la fenêtre d’ écoute du signal en réception coté dispositif maître
Ainsi, lors de l’étape 300, les retards sont compensés en utilisant les mesures obtenues dans l’ étape 200.
Ainsi, à chaque émission d’une séquence TR3 , les retards de propagation T l et T2 sont compensés.
Bien évidemment, l’ invention n’ est pas limitée aux modes de réalisation et de mise en œuvre décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple.
En particulier, le protocole TDMA peut être combiné avec le procédé de codage de signaux numériques par répartition en fréquences orthogonales sous forme de multiples sous-porteuses OFDM (pour « Orthogonal Frequency Division Multiplex » selon le vocable anglo- saxon) .
Ces techniques ainsi fusionnées permettent d’ optimiser la capacité d’utilisation du spectre. La bande passante totale est alors partagée en plusieurs sous-bandes pour un nombre défini de dispositifs esclaves.
En variante, il est possible d’ effectuer une modulation mono porteuse par changement de phase PSK (« Phase-Shift Keying ») .

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de compensation de retard dans un réseau de transmission bidirectionnel de données basé sur le protocole TDMA, entre un dispositif maître (M l ) et au moins un dispositif esclave (E l ), ledit retard étant dû à des moyens électroniques de transmission de données internes aux dispositifs maître et esclave, le procédé comprenant les étapes itératives suivantes :
- la synchronisation du dispositif esclave sur le dispositif maître, par synchronisation sur un signal de synchronisation (S) émis par le dispositif maître;
- la mesure du retard interne introduit par des moyens électroniques de transmission de données pour chaque dispositif maître et esclave ; et
- la compensation du retard interne mesuré, et dans lequel le retard interne est mesuré en bouclant un signal de bouclage entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave et en mesurant la durée de propagation du signal bouclé entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave..
2. Procédé de compensation selon la revendication 1 , dans lequel, lors de l’ étape de synchronisation du dispositif esclave sur le dispositif maître, on extrait des données émises par le dispositif maître un intervalle de temps comprenant un signal de synchronisation (S) comprenant une portion de réglage d’ amplitude (S I ) et une portion de synchronisation (S2) sous la forme d’une modulation d’ amplitude apte à déterminer un instant de référence (TOP définissant le début d’une période d’ envoi des données vers chaque dispositif esclave.
3. Procédé de compensation selon l’une des revendication 1 et 2, dans lequel le signal de bouclage est généré par intervalles de temps réguliers.
4. Procédé de compensation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les données sont transmises sous forme de séquences de données (TR3), et dans lequel, pour chaque séquence de données (TR3), la réception des données (300) est retardée d’une durée sensiblement égale à une première valeur de retard (Tl ) relatif au dispositif maître, et la transmission (200) des données (TR2) est avancée d’une durée sensiblement égale à une deuxième valeur de retard (T2) relatif au dispositif esclave.
5. Système ( 1 ) de transmission bidirectionnel de données comprenant un dispositif maître (M l ) et au moins un dispositif esclave (E l ), ledit système étant apte à mettre en œuvre une communication bidirectionnelle de données entre le dispositif maître (M l ) et le dispositif esclave (E l ), le dispositif maître (M l ) et le dispositif esclave (El ) comprenant des moyens électroniques de transmission de données selon un protocole à accès multiple par répartition dans le temps, le système de transmission de données comprenant des moyens de synchronisation du dispositif esclave sur le dispositif maître par synchronisation sur un signal de synchronisation (S) émis par le dispositif maître, des moyens de mesure du retard interne introduit par les moyens électroniques de transmission de données pour chaque dispositif maître et esclave et des moyens de compensation du retard interne mesuré, et dans lequel les moyens de mesure du retard interne comprennent des moyens de bouclage d’un signal entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave et des moyens de mesure de la durée de propagation du signal bouclé entre la sortie et l’ entrée de chaque dispositif maître et esclave.
6. Turbomachine comprenant au moins un système ( 1 ) selon la revendication 5.
7. Capteur pour application aéronautique, notamment de régulation, surveillance et/ou d’instrumentation comprenant un système ( 1 ) de transmission bidirectionnel de données selon la revendications 5.
8. Aéronef comprenant un système ( 1 ) de transmission bidirectionnel de données selon la revendication 5.
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