FR2750818A1

FR2750818A1 - Transmission line signal extraction and separation device

Info

Publication number: FR2750818A1
Application number: FR9608216A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-07-02
Filing date: 1996-07-02
Publication date: 1998-01-09
Anticipated expiration: 2016-07-02
Also published as: FR2750818B1

Abstract

The device has a transformer core, with the transmission line placed in this. The effect of the transformer (12) on the line is to maintain the series line impedance at a constantly zero or negligible value. The transformer secondary is connected to a very low impedance amplifier to produce an output signal. The voltage is measured through line connections of two resistors of high enough impedance so as to not interfere with the line. They are connected via a very low impedance isolation transformer to a very low or zero impedance amplifier to avoid low-pass filtering and interfering capacitances. The signals are reconstructed by standard summer and difference circuits and equaliser and echo cancellation circuits removes reflections and echoes.

Description

DISPOSITIF D'EXTRACTION ET DE SÉPARATION DE SIGNAUX TRANSPORTÉS
PAR UNE LIGNE FILAIRE
La présente invention concerne l'observation des signaux véhiculés par une ligne de transmission utilisée en mode bidirectionnel simultané. Ce mode de gestion est celui utilisé normalement pour les lignes téléphoniques lorsqu'elles véhiculent des signaux analogiques ou numériques. L'observation des signaux véhiculés par ces lignes est souvent nécessaire pour s'assurer qu'aucun usage illicite n'en est fait. La réalisation la plus courante est le compteur d'impulsions téléphoniques mis en place au domicile de l'abonné pour lui permettre de vérifier sa consommation. Cette application demeure mais, alors qu'elle était très facile à mettre en oeuvre sur les lignes téléphoniques analogiques, elle devient beaucoup plus complexe avec les lignes téléphoniques numériques telles que Numeris en France et peut nécessiter l'insertion d'un dispositif spécifique en coupure sur la ligne. En effet, dans le cas de la téléphonie analogique, les informations de taxation étaient transportées par des signaux très spécifiques et très faciles à identifier sans ambiguïté ni risque d'erreurs. En revanche, dans le cas de Numeris, toutes les informations de signalisation qui transitent sur les lignes et en particulier celles relatives à la consommation et à la taxation, sont encapsulées dans un protocole d'échange de messages et leur l'analyse nécessite l'analyse complète de tous les signaux transportés. L'accumulation de plusieurs applications de même nature risque de dégrader notablement le fonctionnement de la ligne téléphonique.DEVICE FOR EXTRACTING AND SEPARATING TRANSPORTED SIGNALS
THROUGH A WIRE LINE
The present invention relates to the observation of the signals carried by a transmission line used in bidirectional simultaneous mode. This management mode is that normally used for telephone lines when they carry analog or digital signals. Observing the signals carried by these lines is often necessary to ensure that no illicit use is made of them. The most common embodiment is the telephone pulse counter set up at the subscriber's home to allow him to check his consumption. This application remains but, while it was very easy to implement on analog telephone lines, it becomes much more complex with digital telephone lines such as Numeris in France and may require the insertion of a specific device with cut-off. on the line. Indeed, in the case of analog telephony, the charging information was carried by very specific signals and very easy to identify without ambiguity or risk of errors. On the other hand, in the case of Numeris, all the signaling information which travels on the lines and in particular that relating to consumption and charging, are encapsulated in a message exchange protocol and their analysis requires the complete analysis of all transported signals. The accumulation of several applications of the same kind risks significantly degrading the operation of the telephone line.

Pour aider à la résolution de ce problème. la présente invention propose un dispositif d'interception des signaux véhiculés par la ligne dans les deux sens de transmission permettant tout traitement ultérieur sur ces signaux sans intervenir de quelque façon que ce soit sur le fonctionnement ou les caractéristiques de la ligne. Un tel dispositif constitue une interface unique avec la ligne téléphonique et sur lequel plusieurs autres dispositifs peuvent être raccordés pour effectuer plusieurs traitements sur les signaux extraits. De plus, un tel dispositif est incapable de se substituer aux équipements normalement raccordés et d'émettre lui-même des appels téléphoniques.To help resolve this problem. the present invention provides a device for intercepting signals carried by the line in both directions of transmission allowing any subsequent processing on these signals without intervening in any way whatsoever on the operation or characteristics of the line. Such a device constitutes a single interface with the telephone line and to which several other devices can be connected to perform several treatments on the extracted signals. In addition, such a device is unable to replace the normally connected equipment and make telephone calls itself.

Le dispositif présenté fonctionne quelle que soit la nature analogique ou numérique des signaux transmis. En fait, les signaux transmis par une ligne téléphonique sont toujours de nature analogique. On ne parle de signaux numériques que lorsque l'usage d'un modem est nécessaire pour les représenter au moyen de signaux analogiques susceptibles d'être transportés par le support physique de la ligne téléphonique. I1 en est ainsi des transmissions de données ou des transmissions d'images par télécopie sur support analogique et de toute transmission de signal de téléphonie, de télécopie, de transmission de données sur support numérique tel que Numeris. Sur les supports analogiques les modems utilisés sont des dispositifs à modulation d'amplitude, de fréquence ou de phase aux débits de 50 à 28800 bits par seconde. Sur les supports numériques, ce sont généralement des modems fonctionnant en bande de base aux débits de 144, 160 ou 2048 kbits par seconde, pour ne citer que les produits les plus courants aujourd'hui.The device presented operates regardless of the analog or digital nature of the signals transmitted. In fact, the signals transmitted over a telephone line are always analog in nature. We only speak of digital signals when the use of a modem is necessary to represent them by means of analog signals capable of being transported by the physical medium of the telephone line. This is the case for data transmissions or image transmissions by facsimile on analog support and all telephone, facsimile and data signal transmissions on digital media such as Numeris. On analog media the modems used are amplitude, frequency or phase modulation devices at bit rates from 50 to 28,800 bits per second. On digital media, these are generally modems operating in baseband at bit rates of 144, 160 or 2048 kbits per second, to name just the most common products today.

Les lignes téléphoniques filaires évoquées ci-dessus peuvent se présenter sous la forme de doubles paires de conducteurs, chacune de ces paires assurant la transmission des signaux dans un sens ou dans l'autre, ou sous la forme de paires uniques assurant simultanément les deux sens de transmission des signaux. Bien entendu, les lignes téléphoniques peuvent emprunter d'autres types de supports tels que câbles coaxiaux, guides d'ondes, fibres optiques, câbles hertziens, ondes radio-électriques, mais le dispositif présenté ici ne s'applique qu'au cas de l'usage de paires téléphoniques. Notons au passage qu'une paire téléphonique peut se trouver dans une situation dégradée, ne comportant qu'un seul conducteur et utilisant un retour électrique commun à plusieurs signaux. Le second conducteur de la paire est alors à considérer comme le symétrique électrique du premier par rapport au retour commun. Cette disposition particulière, parfois rencontrée dans des jonctions entre différents équipements, ne fait pas obstacle à l'utilisation du dispositif présenté ici.The wired telephone lines mentioned above can be in the form of double pairs of conductors, each of these pairs ensuring the transmission of signals in one direction or the other, or in the form of single pairs simultaneously ensuring both directions signal transmission. Of course, telephone lines can borrow other types of support such as coaxial cables, waveguides, optical fibers, radio cables, radio waves, but the device presented here only applies to the case of use of telephone pairs. Note in passing that a telephone pair can be in a degraded situation, comprising only one conductor and using an electrical return common to several signals. The second conductor of the pair is then to be considered as the electrical symmetric of the first with respect to the common return. This particular arrangement, sometimes encountered in junctions between different pieces of equipment, does not prevent the use of the device presented here.

Parmi les types de modulation présentés plus haut, ce sont en général les plus lents qui sont susceptibles d'être exploités sur des paires bidirectionnelles. L'augmentation du débit transmis rend en effet plus difficile ce type d'exploitation en raison de la perturbation apportée à la réception par les échos provoqués par les signaux émis lorsqu'ils le sont sur le même support physique. La limite est aujourd'hui à 160 kbits par seconde, mais elle est susceptible d'être reculée progressivement.Among the types of modulation presented above, it is generally the slowest which are likely to be exploited on bidirectional pairs. The increase in the transmitted bit rate makes this type of operation more difficult because of the disturbance brought to reception by the echoes caused by the signals transmitted when they are transmitted on the same physical medium. The limit is now 160 kbits per second, but it is likely to be gradually reduced.

Ainsi qu'il a été dit plus haut, le dispositif présenté peut s'appliquer à tous les types de transmission cités plus haut, sans qu'il s'agisse d'une liste exhaustive, de futures méthodes de transmission présenteront certainement des caractéristiques autorisant la même application.As mentioned above, the device presented can be applied to all the types of transmission mentioned above, without being an exhaustive list, future transmission methods will certainly have characteristics allowing the same application.

Cependant c'est dans le cas de l'utilisation de modems ou de signaux numériques tels qu'ils ont été présentés plus haut que l'utilisation du dispositif est la plus intéressante et tout particulièrement lors de l'utilisation de paires uniques bidirectionnelles.However, it is in the case of the use of modems or digital signals as they have been presented above that the use of the device is the most advantageous and especially when using bidirectional single pairs.

Dans la situation qui vient d'être évoquée, une ligne téléphonique, pendant la phase de transmission des signaux qui nous intéresse, est un quadripôle présentant son impédance caractéristique Z à chacune de ses extrémités. Les équipements raccordés à chaque extrémité émettent chacun son signal sous une impédance égale à cette impédance caractéristique. La tension électrique et le courant présents en tout point de la ligne sont donc représentatifs de la superposition des signaux émis par les deux équipements d'extrémité.In the situation which has just been mentioned, a telephone line, during the signal transmission phase which interests us, is a quadrupole presenting its characteristic impedance Z at each of its ends. The equipment connected to each end each emits its signal at an impedance equal to this characteristic impedance. The electric voltage and current present at any point on the line are therefore representative of the superposition of the signals emitted by the two end devices.

Si U1 et U2 sont les tensions électriques émises par chaque équipement d'extrémité, on peut résumer schématiquement la situation en évaluant à:
I=(U1 -U2)/Z la valeur du courant qui circule sur la ligne et à
U = (U1 +U2)/2
la valeur de la tension électrique.If U1 and U2 are the electrical voltages emitted by each end device, we can summarize the situation schematically by evaluating to:
I = (U1 -U2) / Z the value of the current flowing on the line and at
U = (U1 + U2) / 2
the value of the electrical voltage.

Un dispositif différentiel permet à chaque équipement d'extraire de la ligne le signal qu'il est censé recevoir. Cette tâche est possible parce que cet équipement, outre les signaux présents sur la ligne, connaît également les signaux qu'il émet lui-même. Les incidences immédiates de la ligne sur ce fonctionnement sont le retard temporel et l'affaiblissement qu'elle impose au transfert des signaux entre les deux équipements d'extrémité. Les équations ci-dessus restent valables en supposant U1 et U2 affectés du retard et de l'affaiblissement provoqués par les sections de ligne séparant le point d'observation de chacun des équipements d'extrémité.A differential device allows each device to extract from the line the signal it is supposed to receive. This task is possible because this equipment, in addition to the signals present on the line, also knows the signals that it emits itself. The immediate effects of the line on this operation are the time delay and the weakening that it imposes on the transfer of signals between the two end devices. The above equations remain valid assuming U1 and U2 affected by the delay and attenuation caused by the line sections separating the observation point from each of the end devices.

Pour qu'un équipement supplémentaire ait la possibilité d'extraire et de séparer les signaux correspondant à chaque sens de transmission, il est nécessaire qu'il ait la connaissance de la tension électrique et du courant en un point quelconque de la ligne, les équations présentées plus haut conduisant immédiatement à:
U1=U+Z.I et U2=U-Z.I
A ce niveau le retard et l'affaiblissement imposés par la ligne ne changent rien.For additional equipment to have the possibility of extracting and separating the signals corresponding to each direction of transmission, it is necessary for it to have knowledge of the electric voltage and current at any point on the line, the equations presented above leading immediately to:
U1 = U + ZI and U2 = UZ.I
At this level the delay and the weakening imposed by the line do not change anything.

Dans la réalité, la situation ne se présente pas de façon aussi parfaite car l'impédance caractéristique de la ligne et les impédances d'émission des équipements d'extrémités ne sont jamais parfaitement égales. L'impédance caractéristique de la ligne elle-même n'est pas rigoureusement constante en tous ses points. A chaque point présentant une variation de cette impédance, on observe un affaiblissement du signal transmis, ce qui n'est pas gênant, et une réflexion de ce signal vers l'extrémité qui l'a émis, ce qui l'est beaucoup plus. Ces réflexions étant susceptibles d'être d'autant plus nombreuses que la ligne est plus longue, les signaux reçus par chaque extrémité sont affectés d'un écho et d'une réverbération. Ces phénomènes sont bien connus de tous les spécialistes des transmissions d'information analogique ou numérique et sont normalement corrigés par des mécanismes d'annuleur d'écho pour les premiers et d'égalisation pour les seconds.In reality, the situation does not present itself as perfectly because the characteristic line impedance and the emission impedances of the end equipment are never perfectly equal. The characteristic impedance of the line itself is not strictly constant at all points. At each point presenting a variation of this impedance, one observes a weakening of the transmitted signal, which is not annoying, and a reflection of this signal towards the end which emitted it, which is much more so. As these reflections are likely to be all the more numerous the longer the line, the signals received by each end are affected by an echo and a reverberation. These phenomena are well known to all specialists in the transmission of analog or digital information and are normally corrected by mechanisms of echo canceller for the former and equalization for the latter.

Le dispositif d'extraction et de séparation des signaux présenté ici n'échappe pas à ces inconvénients, chaque signal U1 ou U2 restitué résultant en fait de la superposition de différentes occurrences des signaux U1 et U2 émis, ces occurrences étant elles-mêmes affectées de différents retards temporels. L'application des équations permettant de retrouver U1 et U2 à partir de U et I ne résoud rien d'un point de vue qualitatif, mais cela permet de faire le plus gros du travail . En fait, il en est exactement de même pour les dispositifs différentiels mis en oeuvre dans les équipements d'extrémité eux-mêmes. Ils n'éliminent pas les échos, ils ne font que les réduire à un niveau permettant aux annuleurs d'écho qui existent dans les équipements de fonctionner correctement.The signal extraction and separation device presented here does not escape these drawbacks, each signal U1 or U2 restored resulting in fact from the superimposition of different occurrences of the signals U1 and U2 emitted, these occurrences being themselves affected by different time delays. The application of the equations allowing to find U1 and U2 from U and I does not solve anything from a qualitative point of view, but it allows to do most of the work. In fact, it is exactly the same for the differential devices implemented in the end devices themselves. They do not eliminate the echoes, they only reduce them to a level allowing the echo cancellers that exist in the equipment to function properly.

Le dispositif présenté ici se trouve dans la même situation et fait usage des mêmes procédés d'égalisation et d'annulation d'écho qui ne font donc pas partie de la présentation qui en est faite ici.The device presented here is in the same situation and makes use of the same methods of equalization and echo cancellation which are therefore not part of the presentation which is made here.

Le problème posé par la mise en oeuvre du dispositif présenté ici est l'extraction de la tension électrique et du courant présents en un point d'une ligne téléphonique sans interaction avec la situation et le fonctionnement de cette ligne. La figure 1 expose le schéma général du dispositif. La valeur U de la tension électrique présente sur la ligne (1) est obtenue au moyen du raccordement en dérivation d'un amplificateur à haute impédance d'entrée muni d'un transformateur d'isolement (2). La valeur I du courant électrique portée par la ligne est obtenue au moyen d'un transformateur de courant à basse impédance et d'un amplificateur (3).The problem posed by the implementation of the device presented here is the extraction of the electric voltage and of the current present at a point of a telephone line without interaction with the situation and the operation of this line. Figure 1 shows the general diagram of the device. The value U of the electric voltage present on the line (1) is obtained by means of the branch connection of a high input impedance amplifier provided with an isolation transformer (2). The value I of the electric current carried by the line is obtained by means of a low-impedance current transformer and an amplifier (3).

Comme décrit dans la figure 4, l'insertion sans coupure du transformateur de courant en série sur la ligne est possible en utilisant un noyau magnétique (4) composé de deux parties permettant l'ouverture du circuit magnétique et sa fermeture sur un bobinage (5) constituant le secondaire et un petit nombre de spires (6) formées avec les fils de la ligne (1) pour constituer le primaire. La valeur de la tension et du courant, associée à la connaissance de l'impédance de fonctionnement de la ligne permet par somme et différence de déterminer la valeur des signaux véhiculés dans chaque sens.As described in figure 4, the uninterruptible insertion of the current transformer in series on the line is possible using a magnetic core (4) composed of two parts allowing the opening of the magnetic circuit and its closing on a winding (5 ) constituting the secondary and a small number of turns (6) formed with the wires of the line (1) to constitute the primary. The value of the voltage and the current, associated with the knowledge of the operating impedance of the line allows by sum and difference to determine the value of the signals conveyed in each direction.

L'observation de la tension électrique ne pose pas de problème et est résolue de façon classique par l'utilisation d'un amplificateur à grande impédance d'entrée tel que présenté de façon non exclusive sur la figure 2. Une impédance de l'ordre de 40 fois l'impédance caractéristique de la ligne est suffisante pour ne pas perturber la nature et le gabarit des signaux transmis.The observation of the electric voltage does not pose a problem and is solved in a conventional manner by the use of an amplifier with high input impedance as shown in a non-exclusive manner in FIG. 2. An impedance of the order 40 times the characteristic line impedance is sufficient not to disturb the nature and the size of the transmitted signals.

Dans le schéma décrit par figure 2, l'utilisation de résistances passives (7) et (8) pour l'impédance d'entrée de l'amplificateur (9) garantit que cette impédance demeure et donc que le fonctionnement de la ligne (1) n'est pas perturbé quand le dispositif est raccordé mais est hors fonctionnement. L'amplificateur lui-même fonctionne avec une impédance d'entrée nulle. I1 s'agit d'un amplificateur opérationnel raccordé directement au secondaire du transformateur (10) et la valeur de son gain est déterminé par sa résistance de bouclage (11).In the diagram described in Figure 2, the use of passive resistors (7) and (8) for the input impedance of the amplifier (9) guarantees that this impedance remains and therefore that the operation of the line (1 ) is not disturbed when the device is connected but is out of operation. The amplifier itself operates with zero input impedance. It is an operational amplifier connected directly to the secondary of the transformer (10) and the value of its gain is determined by its loop resistance (11).

Cette disposition limite les effets de filtrage passe-bas dus à la capacité parasite du transformateur (10) et à la forte valeur de l'impédance de raccordement constituée par les résistances (7) et (8).This arrangement limits the low-pass filtering effects due to the parasitic capacitance of the transformer (10) and to the high value of the connection impedance constituted by the resistors (7) and (8).

L'observation du courant présent sur la ligne nécessite l'insertion d'une impédance en série dans la ligne. Une impédance d'une valeur inférieure à 2% de l'impédance caractéristique ne perturbe pas le gabarit des signaux transmis. Le schéma électrique de la figure 3 donne un exemple non exclusif de réalisation d'un tel dispositif. The observation of the current present on the line requires the insertion of an impedance in series in the line. An impedance of a value less than 2% of the characteristic impedance does not disturb the mask of the transmitted signals. The electrical diagram of Figure 3 gives a non-exclusive example of embodiment of such a device.

Le transformateur de courant (12) présente un nombre de tours faible au primaire et un nombre de tours important au secondaire. Cette disposition lui permet de ramener au primaire une impédance égale à l'impédance vue par son secondaire divisée par le carré de ce rapport.The current transformer (12) has a low number of turns in the primary and a large number of turns in the secondary. This arrangement allows him to reduce to the primary an impedance equal to the impedance seen by his secondary divided by the square of this ratio.

Dans le schéma décrit par la figure 3, l'impédance au secondaire du transformateur (12) est très faible, l'impédance ramenée au primaire est donc pratiquement nulle. L'impédance au secondaire est, en effet, l'impédance d'entrée, pratiquement nulle, de l'amplificateur (13), constitué, comme l'amplificateur (9) de la figure 2, d'un amplificateur opérationnel connecté directement au transformateur et bouclé par la résistance (14) qui détermine la valeur de son gain. L'insertion du transformateur de courant (12) dans la ligne (1) se fait facilement sans coupure en écartant suffisamment les deux fils de la paire pour en former une ou deux spires (6) placées dans noyau magnétique (4) constitué de (2) demi-pots ou demi-tores ou tout autre forme semblable (voir la figure 4). Le secondaire (5) du transformateur est lui-même placé dans le noyau magnétique avant sa fermeture. Cette disposition ne garantit pas que l'impédance ramenée dans la ligne reste suffisamment faible quand le dispositif n'est pas en fonctionnement. Pour cela il faut ajouter entre les accès de l'amplificateur de courant un contact de repos de relais ou un limiteur de tension (non représenté sur la figure).In the diagram described in FIG. 3, the secondary impedance of the transformer (12) is very low, the impedance reduced to the primary is therefore practically zero. The secondary impedance is, in fact, the practically zero input impedance of the amplifier (13), constituted, like the amplifier (9) of FIG. 2, of an operational amplifier connected directly to the transformer and looped by the resistor (14) which determines the value of its gain. The insertion of the current transformer (12) into the line (1) is easily done without interruption by spacing the two wires of the pair apart enough to form one or two turns (6) placed in a magnetic core (4) consisting of ( 2) half-pots or half-tori or any other similar shape (see Figure 4). The transformer secondary (5) is itself placed in the magnetic core before it is closed. This provision does not guarantee that the impedance brought back into the line remains sufficiently low when the device is not in operation. For this it is necessary to add between the accesses of the current amplifier a relay rest contact or a voltage limiter (not shown in the figure).

Les signaux U1 et U2 sont obtenus au moyen de circuits additionneurs classiques tels que présentés sans caractère d'exclusivité par les schémas de la figure 5.The signals U1 and U2 are obtained by means of conventional adder circuits as shown without exclusivity by the diagrams in FIG. 5.

Une solution alternative consiste à effectuer l'échantillonnage et la conversion analogiquenumérique de ces signaux pour en suite les traiter dans le dispositif numérique ou informatique utilisé pour l'analyse ultérieure. An alternative solution consists in carrying out sampling and analog-to-digital conversion of these signals in order to then process them in the digital or computer device used for the subsequent analysis.

Claims

1. Device for extracting and separating the signals present on a wired transmission line (1) characterized in that it is based on the simultaneous observation of the voltage U and of the electric current I at a single point on the line and without requiring the physical cutting of any wire thereof, in that the observation of the electric current present on the line proceeds from the use of a current transformer (12) consisting of a small number of primary turns (6) made without interruption by placing the line wire (s) in a magnetic core (4) composed of two separable parts, and in that the impedance brought back into series on the line by the current observation mechanism is constantly maintained at zero or a negligible value by the continuous presence of a zero or very low impedance at the secondary of the current transformer (12).

2. Device according to claim 1 characterized in that the observation of the voltage U of the line (1) proceeds from the connection of an amplifier whose impedance brought back in parallel on the line is constantly maintained at a sufficient value for not to disturb the operation of the line by the use of passive resistive components (7) and (8) and in that the galvanic isolation between line and voltage observation equipment is ensured by a transformer (10) operating at very low impedance to avoid the low-pass filtering effect of its stray capacitances.

3. Device according to claims 1 and 2 characterized in that the signals U1 and U2 emitted by each of the end devices are reconstructed from the signals U and I supplied by the voltage and current probes by means of adder circuits and conventional subtractor.

4. Device according to claims 1 and 2 characterized in that the signals U1 and U2 emitted by each of the end devices are reconstructed from the signals U and I supplied by the voltage and current probes by means of adder circuits and digital or computer subtractor.

5. Device according to claims 3 or 4 characterized in that it is associated with an equalizer and a conventional echo canceller so as to obtain signals U1 and U2 free of reverberation and echo.

6. Device according to all or part of claims 3 and 4 characterized in that it is used to extract and separate the signals of the two directions of transmission of an analog telephone link.

7. Device according to all or part of claims 3 and 4 characterized in that it is used to extract and separate the signals of the two directions of transmission of a telephone link operated in data transmission by modem.

8. Device according to all or part of claims 3 and 4 characterized in that it is used to extract and separate the signals of the two directions of transmission of a digital telephone link.