Applications synchronisation temps-fréquence


Il existe de très nombreuses applications du domaine de la synchronisation temps-fréquence. En effet de très nombreuses applications nécessitent un temps de référence afin de dater des mesures ou des événements de façon sure, ou de synchroniser des équipements ou des événements. Ci-dessous sont explicités les domaines de l’énergie, des radards et des télécommunications. Il existe encore de nombreux autres domaines comme par exemple le trading ou la vidéo.

Energie

La production et la distribution d’énergie électrique fonctionne en trois pôles :

  • La production: les différents types de centrales produisant de l’électricité
  • Le transport: Le réseau de transport joue le rôle du réseau des autoroutes et des routes nationales
  • La distribution: Le réseau de distribution joue celui du réseau des routes départementales : l’acheminement de l’électricité vers les différents consommateurs.

Pour passer d’un réseau à un autre, les postes de transformation jouent le rôle d’échangeurs. Grâce à des postes de transformation, la HT (90 000 ou 63 000 volts) est abaissée en Moyenne Tension (20 000 volts) ou Basse Tension (400 ou 230 volts).

En France, 757 779 transformateurs relient les 617 642 km de lignes MT aux 697 206 km de lignes BT. L’énergie électrique est acheminée vers environ 33 millions de consommateurs (particuliers, professionnels, industrie, collectivités territoriales…), dont les besoins sont très variés. La consommation varie donc en permanence au cours de la journée et de l’année.

L’électricité produite par les centrales ne se stocke pas. Aussi, pour ajuster très précisément la production à la demande, le réseau s’appuie sur des dispatchings, des centres de répartition de l’électricité. Des prévisions de consommation définissent les besoins théoriques et des ajustements ont lieu en permanence pendant la journée. En France, il existe :

  • 1 dispatching national qui gère le réseau d’interconnexion à 400 000 volts et les échanges avec l’étranger
  • 7 dispatching régionaux qui se chargent de la conduite des réseaux régionaux

La courbe de charge quotidienne : RTE, Réseau de Transport d’Électricité, filiale d’EDF, est le gestionnaire de réseau de transport d’électricité en France. Grâce aux mesures passées de la consommation d’électricité, et aux prévisions météorologiques, RTE détermine chaque jour une courbe prévisionnelle de consommation de la journée pour pouvoir ajuster au plus près et en temps réel la production à la demande d’électricité.

Ces réseaux de transport et de distribution nécessitent un monitoring et un contrôle très précis réalisé à l’aide de système SCADA et tout un ensemble de « Intelligent Electronic Devices » (IED). Un ensemble considérable de mesures ainsi que le contrôle de la déviation de la déviation de la fréquence 50HHz sont effectués. Toutes ces mesures et systèmes de commande nécessitent un réseau parfaitement synchronisé. La synchronisation intervient dans les postes de conduite et de surveillance du réseau (horloge distribuée dans les postes de transformation).

Le système de synchronisation est également utilisé pour des besoins particuliers, par exemple pour le contrôle des disjoncteurs et l’instant d’ouverture des contacts.

Les radars

Un radar émet un signal vers une cible (mobile ou fixe), et mesure le temps de propagation aller-retour de ce signal pour calculer la distance à laquelle se trouve la cible. Cette mesure de temps doit être très précise pour réaliser une mesure précise de la distance.

Le signal est émis à une fréquence F0. La stabilité de la fréquence (Df/F0) et de la phase du signal sont capitales et conditionne la précision de la mesure de distance.

Il y a une relation directe entre la stabilité de la fréquence et la précision de la distance mesurée (D).

Pour maintenir les erreurs distance inférieures à 2m dans le domaine distance (1 à 4000km), la stabilité de la fréquence doit être DF/F0 <= 4 / c x Tp, où Tp est le temps de propagation (=2D/c) Plus la distance est élevée, plus la précision doit être bonne : à 4000Km, DF/f0 = 5.10-7

Le temps de propagation Tp = 27ms pour 4000Km.

De même il y a une relation directe entre la phase et la précision de la distance mesurée (D).

Un saut de phase (recalage) de 100ns engendre une erreur de 20m à 1500Km. Pour donner un ordre de grandeur, si on prend par exemple un oscillateur OCXO-HQ de Meinberg qui dérive de ±22us sur 24 heures, soit ±0,25ns par seconde : 100 secondes de perte de signal générera 25 ns de saut de phase lors de la re-synchronisation.

Télécommunications

Les données voix et image nécessitent une transmission temps réel et synchrone (sans quoi l’image est hachée, le son inaudible etc…). Il est donc impératif qu’un signal horloge de référence soit distribué à l’ensemble des équipements de toutes les stations radio et antennes.

La voix est un signal analogique dont une bande passante de 3,1 kHz (de 300 Hz à 3,4 kHz ) est suffisante et doit être respectée par les noeuds et les ressources de transmission du réseau téléphonique qui vont supporter la communication. Ce signal est dans la plupart des cas numérisé et donc converti en signal numérique. Un signal analogique peut sans perte d’information être converti en un signal échantillonné pour autant que la fréquence d’échantillonnage soit au moins 2 fois la fréquence maximum du signal (théorème de Shannon). Pour le signal vocal, on part d’une fréquence maximum de 4 kHz et on échantillonne donc à 8 kHz, soit toutes les 125 us. Les échantillons sont ensuite quantifiés par un code à 8 bits (Pulse Code Modulation = PCM) ce qui génère donc un débit de 64 kbit/s.

Les liaisons de transmission sont par définition coûteuses et offrent une capacité en B.P. (Hz) ou en débit (kbit/s) supérieure à celle requise par une seule communication; celle-ci peut donc être utilisée par plusieurs communications simultanément au moyen de techniques dites de multiplexage. Cette notion est souvent associée à celle de méthode d’accès, dite d’accès multiple, des différents usagers à une ressource commune, par exemple TDM/TDMA (« Time Division Multiplexing ») (« Time Division Multiple Access ») bien qu’il s’agisse de notions différentes : le multiplexage concerne la technique de partage des ressources entre plusieurs usagers.

Un des multiplex TDM les plus utilisés en transmission en Europe est le multiplex synchrone à 32 voies de 64kbit/s appelé « système » à 2Mbits/s ou E1 (E pour European). En gros, il est constitué de la manière suivante. A l’entrée, on a 32 sources de 64 kbit/s livrant chacune 8 bits (un TS) toutes les 125 us. Le multiplex produit donc en sortie un signal dont la trame comporte 32 TS de 8 bits et a une durée de 125 us, ce qui donne un débit de 2 Mbit/s. Le signal (la trame) est dit isochrone car tous les moments ont une durée constante et se suivent au rythme d’une horloge. Dans la trame, les TS sont numérotés de 0 à 31. Deux TS sont utilisés pour pouvoir synchroniser et gérer le système (transport de la synchro) ce qui fait que le E1 permet de transporter 30 voies utiles, par exemple 30 communications téléphoniques simultanément.

Afin d’assurer le transport de l’horloge, un système de synchro E1/T1 comporte :

  • Une PRC (Primary Reference Clock): horloge maitre qui doit obéir à la norme ITU G.811 en terme de précision (10-11 ppm). Une horloge au césium est souvent utilisée.
  • Des SSU (Synchronisation Unit) : le signal d’horloge de la PRC se dégrade au fur et à mesure qu’il passe au travers des équipements réseaux (switch, routeurs etc…), accumulant un jitter/wander de plus en plus important. Le signal doit donc être regénéré environ tous les 15-20 nœuds réseau. Les SSU doivent obéir à la norme ITU G.812 en terme de précision (10-9 ppm)