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HAL Id: tel-00334464 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00334464 Submitted on 27 Oct 2008 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude et optimisation des systèmes à courant porteurs domestiques fac aux perturbations du réseau électrique Gautier Avril To cite this version: Gautier Avril. Etude et optimisation des systèmes à courant porteurs domestiques fac aux pertur- bations du réseau électrique. Sciences de l’ingénieur [physics]. INSA de Rennes, 2008. Français. tel-00334464 N° d'ordre : D 08 - 15 THÈSE présentée devant l'Institut National des Sciences Appliquées de Rennes en vue de l'obtention du DOCTORAT Spécialité : Électronique par Gautier AVRIL ÉTUDE ET OPTIMISATION DES SYSTÈMES À COURANTS PORTEURS DOMESTIQUES FACE AUX PERTURBATIONS DU RÉSEAU ÉLECTRIQUE Soutenue le 10 Octobre 2008 devant la commission d'examen Directeurs de thèse : Fabienne NOUVEL Maître de conférence à l'INSA de Rennes Ahmed ZEDDAM Ingénieur France Télécom R&D Rapporteurs : Martine LIÉNARD Professeur à l'Université de Lille Françoise PALADIAN Professeur à l'Université de Clermont-Ferrand Examinateurs : Mohamed MACHMOUM Professeur à Polytech Nantes Etienne CHEVREAU Directeur Technique SpidCom Technologies Remerciements Ce travail a été effectué au sein de la division Recherche & Développement de France Télécom dans l'unité de R&D EMC (ElectroMagnetic Compatibility) du laboratoire SAFE (Sustainable development, Antennas, Frequencies and EMC) avec la collaboration de l'IETR (Institut d'Électronique et des Télécommunications de Rennes) et de l'INSA (Institut National des Sciences Appliquées) de Rennes. Je remercie tout particulièrement mes deux co-directeurs de thèse, Mme Fabienne Nouvel Uzel, maître de conférence à l'INSA de Rennes, et M. Ahmed Zeddam, responsable de l'unité EMC au sein de France Télécom R&D. La confiance que l'on m'a témoignée au long de ces trois années m'a profondément touché, et je garderai en mémoire les qualités humaines et techniques de cet encadrement. Je voudrais exprimer ma reconnaissance à Mme Martine Liénard et Mme Françoise Paladian pour avoir accepté d'être rapporteurs de cette thèse. J'adresse également de sincères remerciements à Mohamed Machmoum et Etienne Chevreau, qui me font l'honneur de participer au jury de cette thèse. Je remercie également M. Martial Bellec et à Marie Hélène Hamon, pour l'intérêt qu'ils ont porté à mes travaux. J'adresse mes sincères remerciements à Fabienne Moulin pour son soutien, ses conseils précieux mais surtout pour son état d'esprit, dont je partage les valeurs. Un grand merci à Sandrine Roblot : les moments que nous avons partagés laisseront une trace indélébile. Je souhaite également témoigner toute mon estime à Pascal Pagani et à Mohamed Tlich pour les compétences, l'enthousiasme et la sympathie dont ils font preuve. Merci à Frédéric Gauthier pour ses conseils et le temps qu'il a su m'accorder. Je souhaite également remercier Alain Cario et Sylvain Person pour la bonne humeur qu'ils savent si bien communiquer. J'adresse de chaleureux remerciements à l'ensemble des personnes avec lesquelles j'ai pu travailler : Benjamin Barlaud, Yann Beaumanoir, Roland Bescond, Hassina Chaouche, Jean Marc Debraux, Hélène Fourcade, Fahd Hassoun, Francis Hauquiert, Michel Le Coz, Stephane Le Masson, Pascal Péron, Christophe Roblot, Rabah Tarafi et Loic Tosser. Je remercie les amis qui m'ont soutenu tout au long de cette thèse : Yannick Bourgeois, François Daunay, Alain Davoine, Christophe Guyomard, Céline Lemeur, Aziliz Le Lous, Gurvan Le Quellenec, Christophe Maquaire, Guilhem Musuy et Vincent Quére. Merci à vous. Je remercie par-dessus tout mes parents, mon frère et Maela. C'est un bonheur de vous avoir. Sommaire Introduction ............................................................................................................................................... 1 Chapitre 1 Étude du réseau électrique domestique comme support de transmission haut débit .................................................................................................................................................... 5 1.1 Introduction ............................................................................................................................ 5 1.2 Analyse du contexte normatif des transmissions CPL sur le réseau électrique ........................................................................................................................................ 8 1.2.1 Respect des critères d'immunités électromagnétiques ................................. 9 1.2.2 Respect des limites d'émissions électromagnétiques................................... 10 1.2.2.1 Limitations en dessous de 30 MHz ............................................................... 10 1.2.2.1.1 Limitations définies aux bornes d'alimentation .............................. 10 1.2.2.1.2 Limitations définies aux accès de télécommunication .................. 11 1.2.2.1.3 Limites à respecter pour un modem CPL ........................................... 12 1.2.2.1.4 Limites d'émission utilisées en pratique ............................................ 15 1.2.2.2 Limitations au dessus de 30 MHz .................................................................. 16 1.2.3 Conclusions ................................................................................................................... 17 1.3 Caractéristiques physiques du réseau électrique domestique ......................... 18 1.3.1 Topologie du réseau électrique domestique .................................................... 18 1.3.1.1 Début du réseau domestique : le compteur électrique ......................... 18 1.3.1.2 Fourniture d'énergie : monophasé ou triphasé ....................................... 19 1.3.1.3 Schéma de liaison à la terre : différent selon les pays ........................... 19 1.3.1.4 Topologie du réseau : complexe et imprévisible ..................................... 20 1.3.1.5 Réseau électrique : partagé avec d'autres dispositifs ........................... 22 1.3.2 Perturbations électromagnétiques véhiculées sur le réseau électrique22 1.3.2.1 Techniques de mesure des perturbations électromagnétiques ........ 23 1.3.2.1.1 Mesure des bruits stationnaires à l'analyseur de spectre ............ 24 1.3.2.1.2 Mesure du bruit impulsif à l'oscilloscope ........................................... 24 1.3.2.2 Classification des perturbations EM dans la littérature ....................... 25 1.3.2.2.1 Approche classique ..................................................................................... 25 1.3.2.2.2 Classification de Zimmermann & Doestert ........................................ 28 1.3.2.3 Présentation des phénomènes temporels se produisant sur ligne d'énergie ................................................................................................................................ 30 1.3.3 Fonction de transfert du réseau électrique ...................................................... 31 1.3.3.1 Mesure de la fonction de transfert à l'analyseur de réseau ................ 34 1.3.3.2 Analyse de la Fonction de transfert dans la littérature ........................ 35 1.3.3.2.1 Analyse de la fonction de transfert du réseau électrique ............. 35 1.3.3.2.2 Modélisation de la fonction de transfert du réseau électrique .. 43 1.3.3.2.3 Approche déterministe .............................................................................. 43 1.3.3.2.4 Approche empirique ................................................................................... 44 1.3.3.3 Présentation des phénomènes temporels se produisant sur la ligne d'énergie ................................................................................................................................ 44 1.4 Systèmes de transmission à courants porteurs sur le réseau électrique ..... 45 1.4.1 Technologies CPL domestiques : un besoin de norme ................................. 46 1.4.2 Techniques de transmission utilisables ............................................................. 48 1.4.2.1 Modulation ............................................................................................................. 48 1.4.2.2 Codage de canal .................................................................................................... 49 1.4.2.3 Cryptage des données ........................................................................................ 49 1.4.2.4 Récapitulatif des paramètres utilisés sur les systèmes CPL ............... 50 1.4.3 Spécification HomePlug AV ..................................................................................... 50 1.4.3.1 Bande passante..................................................................................................... 51 1.4.3.2 Modulation utilisée ............................................................................................. 51 1.4.3.2.1 Modulation OFDM : multiplexage de fréquences orthogonales . 52 1.4.3.2.2 Allocation binaire (DMT) .......................................................................... 54 1.4.3.2.3 Constellations utilisées .............................................................................. 57 1.4.3.2.4 Intervalle de garde ...................................................................................... 57 1.4.3.2.5 Porteuses éteintes ....................................................................................... 59 1.4.3.2.6 Fenêtrage (windowing) ............................................................................. 61 1.4.3.2.7 Variation en temps de l'allocation binaire ......................................... 63 1.4.3.2.8 Préambule ....................................................................................................... 63 1.4.3.2.9 Porteuses pilotes .......................................................................................... 64 1.4.3.3 Codage de canal .................................................................................................... 64 1.4.3.3.1 Brouillage (scrambler) ............................................................................... 64 1.4.3.3.2 Turbo-code ..................................................................................................... 65 1.4.3.3.3 Entrelaceur de canal ................................................................................... 65 1.4.3.3.4 Lutte contre les perturbations impulsives apériodiques ............. 66 1.4.3.4 Génération du signal sur le réseau ............................................................... 67 1.4.4 Réception du signal CPL ........................................................................................... 67 1.4.5 Limitations des systèmes actuels ......................................................................... 69 1.4.5.1 Bande passante limitée ..................................................................................... 69 1.4.5.2 Perte de débit liée à l'utilisation d'une modulation sous-optimale . 70 1.4.5.3 Perte de débit liée à la présence de porteuses éteintes ........................ 70 1.4.5.4 Présence de bruits impulsifs apériodiques ............................................... 71 1.4.5.5 Bruit "vu" par le modem supérieur au bruit réel sur la ligne ............. 71 1.4.5.6 Mauvaise immunité face aux perturbations périodiques .................... 72 Chapitre 2 Étude du canal de transmission face aux perturbations du réseau ........ 73 2.1 Introduction .......................................................................................................................... 73 2.2 Bruits électromagnétiques sur le réseau électrique ............................................. 74 2.2.2 Méthodologie de mesure .......................................................................................... 77 2.2.2.1 Système de couplage .......................................................................................... 77 2.2.2.2 Dispositif de mesure ........................................................................................... 79 2.2.2.3 Logiciel Mabis ....................................................................................................... 82 2.2.3 Traitement des mesures ........................................................................................... 84 2.2.3.1 Visualisation du signal temporel ................................................................... 84 2.2.3.2 Transformée de Fourier .................................................................................... 85 2.2.3.3 Visualisation spectrographique ..................................................................... 87 2.2.3.4 Choix de la durée des symboles OFDM ....................................................... 88 2.2.3.5 Logiciel de traitement automatisé ................................................................ 89 2.2.4 Étude des phénomènes permanents ................................................................... 90 2.2.4.1 Bruit de fond coloré ............................................................................................ 90 2.2.4.2 Bruit bande étroite .............................................................................................. 90 2.2.4.3 Bruit impulsif périodique asynchrone ........................................................ 91 2.2.5 Étude des phénomènes apériodiques ................................................................. 94 2.2.5.1 Bruit impulsif apériodique ............................................................................... 95 2.2.5.1.1 Caractéristiques temporelles du bruit impulsif apériodique ..... 95 2.2.5.1.2 Fréquence d'apparition du bruit impulsif apériodique ................ 97 2.2.5.1.3 Impact de la perturbation ......................................................................... 98 2.2.5.1.4 Conclusions sur le bruit impulsif apériodique .............................. 104 2.2.5.1.5 Étude du bruit impulsif sur différentes prises électriques ....... 105 2.2.5.2 Variation apériodique du bruit stationnaire.......................................... 106 2.2.5.3 Variation apériodique des phénomènes périodiques synchrones 108 2.2.6 Étude des phénomènes périodiques synchrones. ....................................... 109 2.2.6.1 Bruit impulsif synchrone ............................................................................... 109 2.2.6.2 Variation périodique synchrone du bruit stationnaire ..................... 110 2.2.6.3 Statistiques sur les phénomènes périodiques synchrones .............. 111 2.3 Fonction de transfert du canal électrique .............................................................. 112 2.3.2 Méthodologie de mesure ....................................................................................... 115 2.3.2.1 Système de couplage ....................................................................................... 115 2.3.2.2 Principe de mesure .......................................................................................... 116 2.3.2.3 Dispositif de mesure ........................................................................................ 118 2.3.3 Traitement des mesures ........................................................................................ 119 2.3.3.1 Visualisation spectrographique .................................................................. 119 2.3.4 Étude des phénomènes permanents ................................................................ 121 2.3.4.1 Topologie du réseau électrique ................................................................... 121 2.3.4.2 Charges connectées au réseau électrique ............................................... 121 2.3.5 Étude des phénomènes apériodiques .............................................................. 122 2.3.5.1 Variation de la topologie du réseau et/ou uploads/Geographie/ memoire-gautier-avril-finale.pdf