FR2875653A1 - Dispositif d'emission pour la transmission optique en espace libre - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'émission pour la transmission à travers l'espace, utilisant des ondes électromagnétiques du domaine infrarouge et/ou du domaine visible et/ou du domaine ultraviolet produites par une ou plusieurs lampes à décharge.Le dispositif est relié par ses bornes d'entrée (1) à un réseau de distribution d'énergie. Un filtre secteur (2) réduit les perturbations électromagnétiques produites par les circuits de puissance comportant un redresseur (3), un circuit de correction de facteur de puissance (4), une alimentation basse tension (5) et un onduleur (8). L'onduleur (8) est relié à une inductance série (9) en série avec un tube fluorescent à cathode chaude (10) et un condensateur (12), un condensateur parallèle (11) permettant l'allumage du tube. Un ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie (6), fournit des "signaux démodulés" appliqués au circuit de contrôle (7) qui contrôle l'état des interrupteurs de l'onduleur (8). La lumière produite est modulée en fonction des "signaux démodulés".
Description
Dispositif d'émission pour la transmission optique en espace libre.
L'invention concerne un dispositif d'émission pour la transmission à travers l'espace, utilisant des ondes électromagnétiques du domaine infrarouge et/ou du domaine visible et/ou du domaine ultraviolet produites par une ou plusieurs lampes à décharge.
Dans la suite, le terme "lumière" désignera un rayonnement électromagnétique pouvant comporter de la lumière visible et/ou de la lumière infrarouge et/ou de la lumière ultraviolette. Dans la suite, le terme "lampe à décharge" désignera une lampe à décharge de type quelconque. Cette lampe peut par exemple être une lampe à décharge basse pression, par exemple un tube fluorescent à vapeur de mercure, ou une lampe fluorescente compacte, ou une lampe à vapeur de sodium, etc. Cette lampe peut par exemple être une lampe à décharge haute pression, par exemple une lampe à iodures métalliques.
L'idée d'utiliser des lampes à décharge pour les transmissions optiques a déjà été exposée dans plusieurs demandes de brevet, parmi lesquelles il faut mentionner: - la demande de Martin R. Dachs intitulée Optical communication system correspondant au brevet des Etats-Unis d'Amérique numéro 3,900,404 de 1975; - la demande de Shinichi Nakada correspondant au brevet japonais numéro JP60032443, publiée en 1985; - la demande PCT de Lars Bergkvist intitulée A method in the operation of a drive device for electric discharge lamps and a drive device (document PCT numéro W09012479), publiée en 20 1990; - la demande PCT de Trevor T. Gray, intitulée Data transmission system, (document PCT numéro W09013067), publiée en 1990; - la demande de Michael Smith, intitulée Modulation and coding for transmission using fluorescent tubes correspondant au brevet des Etats- Unis d'Amérique numéro 5,657,145 de 2 5 1997.
La possibilité de moduler la lumière produite par une lampe à décharge à une fréquence supérieure à 20 kHz a par ailleurs été démontrée dans plusieurs communications techniques, parmi lesquelles il faut citer: l'article de R.C. Perkins et W.M. Honig intitulé "A High-Intensity Pulsed Light Source in 30 Blue and UV from Commercial Fluorescent Tubes" paru dans IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 3, No. 1, January 1991, pages 91 à 92; - l'article de D.K. Jackson et al. intitulé "Fiat Lux: A Fluorescent Lamp Digital Transceiver", paru dans IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 3, May/June 1998, pages 625 à 630.
Il est donc clair pour le spécialiste que la lumière produite par une lampe à décharge peut être modulée de multiples façons, et qu'elle peut donc bien être utilisée pour des transmissions. De façon générale, il faut faire parvenir aux différentes lampes à décharge un "courant de lampe" convenablement modulé, produit par un "dispositif de commande". Le courant de lampe peut selon un premier exemple être un courant circulant toujours dans le même sens, constitué d'un courant continu auquel une modulation est superposée. La demande de Martin R. Dachs citée plus haut concerne un dispositif de ce type, bien que cette approche soit difficile à mettre en oeuvre parce que premièrement les caractéristiques électriques des lampes à décharge rendent complexe (ou d'un faible rendement) un dispositif de commande selon cette approche, et deuxièmement les lampes à décharge ne sont généralement pas conçues pour être traversées par un courant ayant une composante continue. Le courant de lampe peut selon un deuxième exemple être un courant à la fréquence d'un réseau de distribution d'énergie en courant alternatif (par exemple 50 Hz ou 60 Hz) convenablement modulé, cette approche pouvant permettre d'utiliser un ballast électromagnétique classique, comportant une inductance en série avec la lampe à décharge. Les demandes de Michael Smith et de Trevor T. Gray citées plus haut concernent des dispositifs de ce type. Le courant de lampe peut selon un troisième exemple être un courant à haute fréquence (par exemple à une fréquence supérieure à 20 kHz pour ne pas produire de bruit audible) produit par un onduleur, comme dans un ballast électronique, mais modulé de façon appropriée. Les demandes de Shinichi Nakada et de Lars Bergkvist citées plus haut prévoient un procédé de ce type.
Les spécialistes savent que c'est avec un courant à haute fréquence que la durée de vie des lampes à décharge est la plus longue, avec un meilleur rendement lumineux. Toutefois, il ne faut pas perdre de vue que l'expérience montre que les possibilités et performances de modulation du flux lumineux produit dépendent du type de lampe à décharge, et de plusieurs autres paramètres, dont la bande de fréquence utilisée par la modulation.
En particulier lorsque le courant de lampe est un courant à haute fréquence ou que la modulation comporte des composantes à haute fréquence, il est clair pour le spécialiste qu'il est souhaitable que le câblage entre le dispositif de commande et la ou les lampes à décharge soit aussi court que possible. Les avantages obtenus en maintenant ce câblage court concernent par exemple la compatibilité électromagnétique, la sécurité électrique, ou le rendement de l'ensemble de l'installation. En pratique, un câblage court entre le ou les dispositifs de commande et la ou les lampes à décharge va impliquer que chaque luminaire contenant une ou plusieurs lampes comporte son propre dispositif de commande, ce qui implique, selon les techniques connues, que deux câblages distincts soient utilisés, l'un pour fournir l'alimentation électrique à chaque luminaire, par exemple en le connectant à un réseau de distribution d'énergie en courant alternatif, et l'autre pour fournir les signaux à transmettre par chaque luminaire.
Selon les procédés et dispositifs connus, la question du moyen de faire parvenir les signaux à transmettre jusqu'à la lampe n'est pas abordée de façon satisfaisante pour toutes les applications, car l'emploi de deux câblages distincts est évidemment plus coûteux qu'un câblage classique pour des luminaires uniquement destinés à l'éclairage. Pour n'utiliser qu'un seul câblage, il pourrait être envisagé de faire parvenir à chaque luminaire les signaux à transmettre en utilisant une liaison par radio, mais cette solution supprime le principal intérêt des transmissions optiques en espace libre, qui est de ne pas utiliser le spectre radioélectrique.
L'invention a pour objet un dispositif d'émission pour la transmission optique en 15 espace libre ne nécessitant pas de câblage distinct pour lui faire parvenir les signaux d'entrée, dépourvu des inconvénients des procédés et dispositifs connus.
L'invention concerne un dispositif d'émission pour la transmission optique en espace libre, caractérisé en ce que: - premièrement il comporte une ou plusieurs lampes à décharge utilisées comme source de 20 lumière pour la transmission, - deuxièmement il comporte un ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie, capable de fournir à sa sortie des "signaux démodulés" obtenus par démodulation de signaux apparaissant sur les bornes permettant d'alimenter le dit dispositif d'émission, - troisièmement les dits "signaux démodulés" sont appliqués à l'entrée d'un dispositif de commande qui module la lumière produite par les dites lampes à décharge en fonction des "signaux démodulés".
L'ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie exploite les signaux apparaissant aux bornes d'alimentation du dispositif d'émission selon l'invention. Ce réseau de distribution d'énergie peut être quelconque, par exemple être un réseau en courant continu, un réseau en courant alternatif relié au réseau public basse tension, un réseau en courant alternatif à bord d'un navire, etc. L'ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie est la partie réceptrice d'un système de transmission par lignes de réseau de distribution d'énergie, qui peut aussi être appelé "système de télécommunication par courants porteurs" en français et "power-line communication" ou "PLC" en anglais. Les caractéristiques et modes de réalisation d'un tel système sont bien connus des spécialistes, certains aspects étant présentés dans l'article de N. Pavlidou, A.J. Han Vinck, J. Yazdani et B. Honary intitulé "Power Line Communication: State of the Art and Future Trends" parus dans la revue IEEE Communications Magazine, Vol. 41, No. 4, April 2003, pages 34 à 40. Notamment, il faut remarquer que selon la réglementation de l'Union Européenne, les fréquences allouées à certaines transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie sont supérieures à 3 kHz. Selon l'invention, l'ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie peut donc obtenir les "signaux démodulés" par la démodulation de signaux de fréquences supérieures à 3 kHz apparaissant sur les bornes permettant d'alimenter le dit dispositif d'émission.
Les signaux transmis par le système de transmission par lignes de réseau de distribution d'énergie peuvent être des signaux numériques ou des signaux analogiques, modulés par un procédé quelconque, lui-même numérique ou analogique.
L'article de E. Biglieri intitulé "Coding and Modulation for a Horrible Channel" paru dans la revue IEEE Communications Magazine, Vol. 41, No. 5, May 2003, aux pages 92 à 98, nous enseigne que, pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie, la modulation d'une seule porteuse n'est souvent pas une bonne solution technique. Par conséquent, un dispositif selon l'invention peut être caractérisé en ce que le dit ensemble de réception pour la transmission par lignes de réseau de distribution d'énergie utilise un procédé de modulation à plusieurs porteuses ou à étalement de spectre. Par exemple, une modulation à plusieurs porteuses, comme dans le procédé de multiplexage de fréquences orthogonales (aussi appelé OFDM), peut donner de bons résultats.
Comme pour les procédés et dispositifs connus, il est clair que la lumière produite par la ou les lampes à décharge d'un dispositif selon l'invention peut être modulée de multiples façons: le courant de lampe peut par exemple être un courant circulant toujours dans le même sens, constitué d'un courant continu auquel une modulation est superposée, ou par exemple être un courant à la fréquence d'un réseau de distribution d'énergie en courant alternatif convenablement modulé, ou par exemple être un courant à haute fréquence modulé de façon appropriée.
Nous avons indiqué plus haut qu'il est souvent avantageux d'alimenter les lampes à décharge avec un courant de lampe à haute fréquence. Un dispositif selon l'invention peut donc être caractérisé en ce que les dites lampes à décharge sont alimentées par un courant alternatif de fréquence supérieure à 15 kHz.
Un dispositif selon l'invention peut être caractérisé en ce que le dit courant alternatif est modulé par un procédé faisant varier sa phase ou sa fréquence. Le spécialiste voit que cette méthode de modulation est facile à mettre en oeuvre lorsque la ou les lampes à décharge sont alimentées par un courant à haute fréquence. Une méthode particulièrement simple employant un dispositif de commande à découpage est par exemple proposée dans l'article de D.K.
Jackson et al. cité plus haut. Un dispositif selon l'invention peut être aussi caractérisé en ce que le courant de lampe est un courant alternatif modulé par un procédé faisant varier son amplitude. Il est clair pour le spécialiste que ce résultat peut par exemple être obtenu en faisant varier le rapport cyclique d'un dispositif de commande à découpage.
En général, il est souhaitable que la modulation de la lumière ne soit pas perceptible par les observateurs humains. Ce résultat peut être obtenu grâce au phénomène de persistance rétinienne, qui élimine la sensation de papillotement pour les variations lumineuses suffisamment rapides. Un dispositif selon l'invention peut donc être caractérisé en ce que les variations du flux lumineux correspondant à la modulation de la lumière ne contiennent pratiquement pas de composante à des fréquences inférieures à 24 Hz. Pour certaines modulations, cette limite de 24 Hz pourra être suffisante pour qu'il n'y ait pas perception de la présence d'une modulation par un observateur humain. Pour certaines modulations, il pourra être utile de prévoir une limite plus élevée, par exemple 200 Hz.
Si la modulation de la lumière n'est pas perceptible, il est clair que la lumière produite par un dispositif selon l'invention pourra, si elle est visible, avoir les caractéristiques requises 25 pour l'éclairage. Par conséquent, un dispositif selon l'invention peut être caractérisé en ce que la lumière produite est aussi utilisée pour l'éclairage qu'elle procure.
Notamment dans ce cas, un dispositif selon l'invention pourra être conçu de façon à ressembler à un luminaire ordinaire. Par conséquent, un dispositif selon l'invention peut être caractérisé en ce que sa fonction de transmission optique en espace libre est secrète, sa 30 fonction apparente étant l'éclairage.
Afin d'obtenir les caractéristiques appropriées pour une application donnée, un dispositif selon l'invention pourra employer le type de lampe à décharge le plus adapté. En particulier, un dispositif selon l'invention peut être caractérisé en ce que la ou les dites lampes à décharge sont des lampes à décharge basse pression, pouvant éventuellement contenir des substances fluorescentes. En particulier, un dispositif selon l'invention peut être caractérisé en ce que la ou les dites lampes à décharge sont des lampes à décharge haute pression.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront plus clairement de l'exemple suivant, donné à titre non limitatif et représenté sur la figure 1. Ce dispositif est électriquement relié par ses bornes d'entrée (1) à un réseau de distribution d'énergie en courant alternatif. Un filtre secteur (2) permet de réduire fortement les perturbations électromagnétiques conduites produites aux fréquences supérieures à 150 kHz par les circuits de puissance, conformément à la réglementation en matière de compatibilité électromagnétique. Les circuits de puissance comportent un redresseur (3), un circuit de correction de facteur de puissance (4), une alimentation basse tension (5) et un onduleur (8). Le circuit de correction de facteur de puissance (4) bien connu des spécialistes est constitué d'un hacheur élévateur non isolé, et permet d'obtenir une absorption sinusoïdale de courant, donc une faible émission de courant harmonique conformément à la réglementation en matière de compatibilité électromagnétique, et une prérégulation. L'onduleur (8) comporte un étage hacheur push-pull dont la sortie est reliée à une inductance série (9) en série avec un tube fluorescent à cathode chaude (10) et un condensateur (12), un condensateur parallèle (11) permettant l' allumage optimal du tube, selon 2 0 la structure couramment utilisée dans les ballasts électroniques pour tubes fluorescents, présentée par exemple dans l'article de E. Deng et S. Cuk, intitulé "Single Stage, high power factor, lamp ballast", paru dans le Proceedings of the 1994 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC'94, 1994, aux pages 441 à 449. Un ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie (6), fournit à sa sortie des "signaux démodulés" obtenus par démodulation de signaux de fréquences supérieures à 3 kHz apparaissant sur les deux bornes d'entrée (1). Ces "signaux démodulés" sont appliqués à l'entrée du circuit de contrôle (7) qui produit les signaux contrôlant l'état des interrupteurs (par exemple des transistors à effet de champ à grille isolée) de l'onduleur (8). Le circuit de contrôle (7) et l'onduleur (8) constituent un dispositif de commande à découpage qui module le courant de lampe traversant le tube fluorescent à cathode chaude (10), en fonction des "signaux démodulés", de façon à ce que la lumière produite soit aussi modulée en fonction des "signaux démodulés". L'alimentation basse tension (5) alimente l'ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie (6) et le circuit de contrôle (7).
Sur la figure 1 n'apparaissent ni connexion à un conducteur de protection électrique au niveau des bornes d'entrée (1), ni connexion de masse ou de terre. De telles connexions peuvent évidemment être présentes, par exemple pour la sécurité électrique etlou pour la compatibilité électromagnétique.
Le dispositif selon l'exemple représenté sur la figure 1 est réalisé de façon à ressembler à un luminaire courant, uniquement destiné à l'éclairage. Les "signaux démodulés" peuvent aussi être utilisés pour d'autres fonctions que la modulation de la lumière, par exemple liées à la fonction d'éclairage, par exemple sa mise en service ou hors service, ou la variation de l'intensité de la lumière produite (fonction de gradation).
Dans le dispositif selon l'exemple représenté sur la figure 1, l'onduleur (8) produit un courant de lampe modulé en fréquence autour de la fréquence de 62 kHz, ce qui produit une lumière modulée en fréquence autour de la fréquence de 124 kHz. Ce type de modulation à enveloppe constante présente l'avantage de ne pas impliquer de modulation de la lumière perceptible par les observateurs humains. Le spécialiste voit bien comment il peut concevoir le circuit de contrôle (7) pour obtenir une modulation de fréquence, sans modulation de l'amplitude, en dépit des variations d'impédance de l'inductance série (9) et du condensateur (12) : les signaux contrôlant l'état des interrupteurs doivent être à la fois modulés en fréquence et en rapport cyclique. Par contre, si la bande de fréquence utilisée par la modulation de fréquence ne contient que des fréquences suffisamment élevées pour que la persistance rétinienne les rendent indiscernables, une modulation d'amplitude causée par la modulation de fréquence pourra être tolérée, comme exposé dans l'article de D.K. Jackson et al cité plus haut, et la modulation du rapport cyclique ne sera pas nécessaire.
Grâce à un dispositif selon l'invention, des signaux envoyés par l'émetteur d'un système de transmission par lignes de réseau de distribution d'énergie sont transformés en signaux lumineux pouvant être reçus par un récepteur de transmission optique approprié. Cette transmission optique permet une transmission sans fil et sans radio. Les signaux optiques ainsi transmis peuvent correspondre à de la voix, des données, etc. Ces signaux optiques peuvent aussi comprendre d'autres informations d'origine interne au dispositif selon l'invention, par exemple relatives à l'état d'usure des lampes, qui peut se déduire de certaines grandeurs électriques du dispositif de commande, comme le savent les spécialistes.
Un dispositif selon l'invention peut être tel que l'émission de la lumière modulée pour un ensemble de données se produise à un moment bien déterminé, par exemple en utilisant une synchronisation par rapport à des signaux transmis par le réseau de distribution d'énergie. De cette façon, une pluralité de dispositifs selon l'invention pourront produire chacun une lumière modulée, ces modulations étant identiques et en phase. Ceci renforcera donc le signal reçu par un récepteur de transmission optique qui recevrait de la lumière produite par plusieurs de ces dispositifs selon l'invention.
Il est également possible que différents dispositifs selon l'invention connectés aux mêmes lignes de réseau de distribution d'énergie émettent des signaux optiques différents, en utilisant un procédé d'adressage bien connu des spécialistes.
Le dispositif selon l'invention pour la transmission optique en espace libre est particulièrement adapté à la diffusion d'informations à l'intérieur des locaux, totalement protégée des perturbations et interférences électromagnétiques radiofréquences d'origine externe. De multiples applications sont possibles, par exemple l'application à des transmissions de données sur les prix dans des locaux de grande distribution, visée par la demande de Trevor T. Gray citée plus haut.
Le dispositif selon l'invention peut notamment être appliqué à un système de transmission d'urgence dans les bâtiments, car dans un contexte de sinistre de grande ampleur ou de catastrophe, les capacités de transmission radio sont souvent saturées ou très perturbées. Pour cette application, un dispositif selon l'invention pourrait aussi avoir une fonction d'éclairage de sécurité.
N'utilisant pas de transmission radio susceptible d'être captée à distance, le dispositif 2 0 selon l'invention est particulièrement adapté aux transmissions secrètes, spécialement lorsque la lumière produite n'est pas susceptible d'atteindre un dispositif de réception optique auquel elle n'est pas destinée.
Claims (10)
1. Dispositif d'émission pour la transmission optique en espace libre, caractérisé en ce que: - premièrement il comporte une ou plusieurs lampes à décharge utilisées comme source de lumière pour la transmission, deuxièmement il comporte un ensemble de réception pour les transmissions par lignes de réseau de distribution d'énergie, capable de fournir à sa sortie des "signaux démodulés" obtenus par démodulation de signaux apparaissant sur les bornes permettant d'alimenter le dit dispositif d'émission, - troisièmement les dits "signaux démodulés" sont appliqués à l'entrée d'un dispositif de 10 commande qui module la lumière produite par les dites lampes à décharge en fonction des "signaux démodulés".
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit ensemble de réception pour la transmission par lignes de réseau de distribution d'énergie utilise un procédé de modulation à plusieurs porteuses ou à étalement de spectre.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les dites lampes à décharge sont alimentées par un courant alternatif de fréquence supérieure à 15 kHz.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dit courant alternatif est modulé par un procédé faisant varier sa phase ou sa fréquence.
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dit courant alternatif est modulé 2 0 par un procédé faisant varier son amplitude.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les variations du flux lumineux correspondant à la modulation de la lumière ne contiennent pratiquement pas de composante à des fréquences inférieures à 24 Hz.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la lumière 25 produite est aussi utilisée pour l'éclairage qu'elle procure.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que sa fonction de transmission optique en espace libre est secrète, sa fonction apparente étant l'éclairage.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la ou les dites lampes à décharge sont des lampes à décharge basse pression, pouvant éventuellement contenir des substances fluorescentes.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la ou les 5 dites lampes à décharge sont des lampes à décharge haute pression.
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