Recherche de méthodes d essais adaptées à l analyse du comportement en immunité électromagnétique d une transmission sol/train. Y. Balghiti*,****, B. Meyniel*, J.Orion*, E.François**, F.Maumy*** P.Besnier****, M. Drissi**** (*) ALSTOM Transport Villeurbanne (**) ALSTOM Transport Charleroi (Belgique) (***)ALSTOM Transport Tarbes (****) IETR/INSA RENNES E-Mail: youssaf.balghiti@transport.alstom.com Résumé. Les méthodes d évaluation en laboratoire des performances en immunité rayonnée autour de la bande de fonctionnement des systèmes Eurobalise de transmissions sol/train ne sont actuellement pas normalisées. Cet article présente une étude réalisée qui s inscrit dans le cadre d un projet Européen Railcom. Dans un premier temps, l analyse se porte sur l ensemble balise/antenne puis sur l évaluation de l immunité de l antenne de bord prise isolément bien que son fonctionnement nécessite en principe la présence d une balise. Nous présentons ensuite le principe des méthodes retenues permettant, par exemple, de valider qu un matériel roulant est compatible avec le niveau de bruit maximum toléré par ce type de transmission. Introduction La balise placée au centre de la voie constitue un élément clef dans le système de télécommunication adopté par le système ERTMS (European Rail Traffic Management System) de niveau 1. La balise assure l émission d information du sol vers le matériel roulant. L alimentation de la balise s obtient par une télé-alimentation (à 27,9MHz) qui résulte d une antenne fixée sous le train, en retour la balise émet vers l antenne un signal à 4,23MHz en modulation FSK qui contient un télégramme. La figure 1 schématise le système de transmission Eurobalise. Equipement embarqué Down Link Eurobalise Up Link Air Gap Le but de l étude présentée dans cet article est la recherche de la méthodologie d essais adaptée à l analyse de situations d interférences potentielles. Moyen d essai en immunité rayonnée La méthode d essai retenue est une méthode d immunité au champ magnétique rayonné en champ proche. Cette méthode consiste à créer un champ magnétique rayonné au centre d une boucle carrée (1,2m de coté) à partir d un courant sinusoïdal de fréquence variable circulant dans cette boucle [1,2]. La figure 2 montre la cartographie 2D du champ magnétique dans le plan de la boucle. Le résultat est obtenue par simulation (au moyen du logiciel FEKO) pour un courant de 1A, et pour une fréquence de 4MHz. Equipement au sol Balise Eurobalise Figure 1 : Système de transmission Eurobalise Lors d une transmission, le système Eurobalise est localisé sous le train, au signal utile se superposera le bruit électromagnétique produit par le matériel roulant et les équipements d infrastructure. Figure 2 : Champ magnétique (A/m)
Un critère de 3dB [3] sur la valeur du champ magnétique est jugé acceptable et permet d obtenir un volume homogène de 6*6*6cm. Cette zone d essai convient à l application : l ensemble balise/antenne est approximativement soumis à un même champ quelque soit le volume de l air gap (zone fictive entre la balise et l antenne). L injection du courant dans la boucle permet de générer des niveaux suffisants et représentatifs des situations observées dans l environnement ferroviaire [1]. Les signaux peuvent être générés en sinusoïdes entretenues ou en signaux transitoires répétitifs plus proches des cas réels. Performance CEM du système de transmission Test Balise/ Nous pouvons à présent estimer les performances de notre système de transmission vis à vis d une perturbation électromagnétique. Le critère d acceptation retenu est le taux d erreur binaire. Dans ce cas, nous considérons une transmission comme erronée lorsque le taux d erreur binaire est différent de zéro. L étude du comportement de notre système de transmission est effectuée dans la bande 1-6MHz. Une série de tests a été réalisée avec différentes distances balise/antenne, seuls les résultats qui nous semblent les plus importants seront décrits dans ce présent article. Injection Mesure du courant Les résultats d essais présentés concernent les mesures obtenues en faisant varier différents paramètres : la hauteur entre la balise et l antenne de réception puis la position de la boucle d injection. La hauteur balise/antenne peut varier entre 22mm à 46mm [4]. Nous avons choisis d effectuer les mesures avec un pas de 6 mm. La boucle d injection est placée dans le plan de la balise (figure 3). Le niveau de bruit est mesuré dans le plan de la boucle d injection nue, c est à dire sans équipements à l intérieur de celle-ci. La perturbation électromagnétique est une sinusoïde pure de fréquence variable avec un pas de 2KHz. 1 1 2 3 4 6 7-1 -2-3 -4 - -6 22mm 28mm 34mm 4mm 46mm z Figure 4 : Immunité relative pour différentes distances Le seuil de susceptibilité (figure 4) diminue avec la distance entre la balise et l antenne. Ce résultat est, bien évidemment, lié à la diminution du signal reçu par l antenne lorsque la balise s éloigne. Nous observons également une sensibilité plus importante autour des fréquences d émissions de la balise à 3,9 et 4,1MHz. Boucle Balise Figure 3 : Configuration de test Sonde de mesure Pour les valeurs de distances extrêmes : 22mm et 46mm, nous faisons ensuite varier la position de la boucle d injection : dans le plan de la balise, au milieu de l air gap et dans le plan de l antenne de réception (figure ). L objectif principal est d identifier la zone la plus sensible et de vérifier si la position de la boucle d injection a une conséquence significative sur le niveau de susceptibilité du système obtenu.
Au vue de ces résultats, il apparaît nécessaire de comparer le niveau d immunité de l antenne (antenne au dessus de la balise à 46mm) quand la balise est dans le plan de la boucle d injection (configuration a) et quand l antenne est placée dans le plan de la boucle (configuration b). Dans les deux cas la mesure du niveau du champ perturbateur est effectuée à la position de l antenne de réception. Figure : dans le plan de la boucle d injection Le niveau d immunité relatif de notre système de transmission pour une distance de 22 mm (figure 6) ne nous permet pas de conclure sur la sensibilité de tel ou tel équipement. Les deux équipements sont dans la zone homogène par conséquent l ensemble est soumis simultanément à un même champ magnétique perturbateur. Figure 6 : Immunité relative du système pour 22mm Pour une distance de 46 mm (figure 7), nous constatons une influence de la position de la boucle d injection sur le niveau d immunité de l ensemble. Nous remarquons que la configuration la plus sensible est celle où la boucle d injection est placée dans le plan de l antenne de réception 1 1 2 3 4 6 7 - -1-2 -3-3 Balise dans le plan Milieu de l'air Gap dans le plan 1 2 3 4 6 7 8-1 Les figures 8a et 8b montrent la position de la sonde de mesure dans les deux configurations : Figure 8a : Configuration a Figure 8b : Configuration b La figure 9 donne le niveau d immunité relatif de l antenne dans les deux configurations : Sonde de mesure Sonde de mesure -1-2 -3-3 -4-4 - - 1 2 3 4 6 7 8 Vue par l'antenne dans le plan 46mm Figure 9 : Immunité relative de l antenne Nous observons une convergence vers un même seuil d immunité. Ainsi, nous démontrons que l équipement le plus sensible est l antenne de réception. -2-3 -4 - Balise dans le plan Milieu de l'air gap dans le plan Figure 7 : Immunité relative pour 46mm A partir de ces résultats, nous orientons notre étude vers la recherche d un protocole d essai permettant de caractériser le niveau d immunité de l antenne seule.
Test de l antenne seule : Dans cette partie, plusieurs protocoles d essais sont étudiés (protocole binaire et protocole ERTMS) permettant de s affranchir de la présence de la balise. La balise est substituée par la boucle de référence [] (figure 1). Cette boucle de référence représente une balise dite étalon commune à tous les constructeurs afin de standardiser l interopérabilité du système ERTMS. Boucle de référence La boucle de référence est une boucle rectangulaire standard de dimension 39*22mm (balise compact) associé à un transformateur de type Balun. Elle est accordée aux fréquences caractéristiques du système de transmission ERTMS, 4,23MHz en émission et 27,1MHz en réception. Balum Boucle de référence Figure 1 : Boucle de référence Nous nous plaçons dans les mêmes conditions de test que précédemment, c est à dire la même distance balise/antenne, le même signal en modulation FSK et le même niveau d émission de la balise (figure 11) ainsi que les mêmes fréquences d émissions. l antenne, dû à la position de celle-ci placée sous le train. par rapport au centre géométrique de la balise. En ajustant la valeur du courant injecté dans la boucle de référence, nous pouvons ainsi étudier toutes les configurations possibles sans modifier l ensemble de l expérimentation. Générateur de signaux BER BTM Detection default Figure 11 : Configuration de test de l antenne seule Protocole binaire : Balun Boucle de référence Interface A sous test Analyser de spectre 46 mm Le protocole de test utilise une séquence binaire spécifique. Le signal injecté dans la boucle de référence correspond à un signal binaire périodique alternant et 1. L injection de ce type de signal est réalisée à l aide d un générateur de signaux arbitraire, 8 périodes de 4,1MHz correspondant à 1 et 7 périodes de 3,9MHz correspondant à. La détection d erreur est effectuée à l aide d un simple circuit électronique. Ce circuit est constitué de deux bascules D pour retarder le signal et d une porte logique de type NON- OU-exclusif pour comparer le signal émis par la boucle de référence (figure 12). Toutes ces conditions sont nécessaires dans le but de comparer les différentes méthodes proposées. Tout d abord, nous positionnons la balise à 46mm au dessus de l antenne, le niveau d émission de celle-ci est mesuré à l aide d un analyser de spectre. Ensuite la balise est substituée par la boucle de référence et nous ajustons le courant de telle manière à obtenir le même champ émis par la balise. Un autre avantage de cette méthode est la prise en compte d un éventuel débattement de Détection erreur Figure 12 : Schéma de principe
Le diagramme suivant (figure 13) montre une erreur détectée lors d une perturbation électromagnétique. Horloge Donnée Figure 13: Détection erreur Cette méthode est relativement simple à mettre en œuvre, la séquence binaire est parfaitement connu (2 bits), dés lors qu un bit est perdu, la sortie détection erreur passe à l état haut. Protocole ERTMS : Bits perdus Erreur Le second protocole de test utilise un signal ERTMS standard au lieu d une séquence binaire. Un programme développé sous LabVIEW permet de générer un signal capable d être décodé correctement (taux erreur binaire nul BER ) par le module balise transmission module (BTM). Le BTM est un module qui traite les informations envoyées par la balise à l antenne (démodulation, BER, etc...). La transmission est considérée comme altérée quand le BER est différent de zéro. Le signal injecté est composé de 123 bits en accord avec le subset 36. Ce subset est une spécification des performances des équipements sur voies et sur les matériels roulants applicable au système de transmission Eurobalise, commun à tous les constructeurs. La mise en place de cette méthode est plus complexe que la première. Elle nécessite tout d abord une programmation plus importante (123 bits) ainsi que l utilisation d un générateur de signaux plus performant (capacité mémoire plus grande). Par contre, cette méthode représente le fonctionnement usuel de l antenne et d avoir accès directement au BER Résultat de test Après avoir décrit deux méthodes pour tester l antenne seule, vérifions que ces méthodes convergent vers un même seuil de susceptibilité (figure 14). - 2 4 6 8-1 -2-3 -3 Protocole ERTMS -4 Protocole binaire -4 dans le plan - Figure 14 : Immunité relative de l antenne Nous constatons que les deux méthodes de test de l antenne proposées indépendantes de la présence de la balise convergent en général vers un même seuil de susceptibilité. Nous remarquons cependant une différence de niveau dans la bande d émission de la balise. L interprétation de ce résultat particulier fera l objet de futures investigations. Application L application présentée ici est de déterminer le seuil de susceptibilité de l antenne en limite de zone de contact. Un paramètre intéressant à vérifier lorsque que l on s intéresse à une transmission entre l équipement au sol et l antenne de réception est la zone de contact. Cette zone définie une distance limite pour laquelle la communication n est plus possible. Analyser de Spectre balise X Z X Y Z Y
Nous étudions ici l'influence d'une interférence électromagnétique à une position limite de la zone de contact. Celle-ci est également définie dans le subset 36. Le système doit continuer à fonctionner correctement à cette position. On détermine ainsi la position de l antenne par rapport au centre géométrique de l antenne. A cette position, à l aide d un analyseur de spectre, la mesure du champ reçu par l antenne est effectuée via une boucle magnétique. Ensuite, la boucle de référence est placée au dessus de l antenne de réception à une distance de 46mm (cette distance est choisie arbitrairement). Enfin, le courant est injecté dans la boucle de référence et la valeur de celui-ci est ajusté de telle sorte à obtenir le même champ magnétique mesuré que précédemment. Maintenant, nous utilisons l une des deux méthodes de tests décrites ci-dessus (le protocole binaire ou le protocole ERTMS) pour détecter une éventuelle erreur lors de l agression électromagnétique. Ensuite nous plaçons l antenne de réception dans le plan de la boucle d injection et ainsi le niveau d immunité (figure 1) peut être déterminé. - 1 2 3 4 6 7-1 -2-3 -3-4 -4 Niveau limite zone de contact Figure 1 : Niveau de susceptibilité relatif Cette méthode permet de caractériser le comportement de l'antenne dans une configuration de test simplifiée en utilisant des bruits pré-définis ou mesurés sur site. Conclusion signal en modulation FSK représentatif de l application Eurobalise. Ce signal peut être simplifié ou contenir un télégramme ERTMS pour accéder directement au Bit Error Rate. En comparant l ensemble des configurations de tests, nous constatons que les résultats convergent vers un même seuil, excepté dans la bande d émission de la balise. Un exemple d'application a été présenté dans lequel cette méthode d'essai est employée pour évaluer le seuil de susceptibilité selon la position de l'antenne par rapport à la balise (prise en considération du débattement de l'antenne). En particulier, l'attention est concentrée sur la limite de la zone de contact. Ce cas correspond au pire cas d un point de vue CEM. Un seuil de susceptibilité est obtenu par un procédé spécifique de calibrage. La prochaine étape est d étudier en particulier le comportement de l antenne avec des signaux transitoires représentatifs de cas réels. Références [1] Electromagnetic Compatibility of Advanced Rail transport Signaling (EMC- ARTS), Final technical report, P.Pozzobon November 24. [2] Méthode d analyse et d essai appliquée à l immunité des balises ferroviaires. Y.Balghiti, B.Meyniel, 13 ème Colloque international et Exposition sur la CEM pp 29-297, Avril 26 St Malot. [3] NF EN 61-4-9 : Pulse magnetic field immunity test Basic EMC publication February 1994. [4] ERTMS/ETCS Class1, FFFIS for Eurobalise : SUBSET-36 May 2. [] ERTMS/ETCS Class1, Test Specification for Eurobalise FFFIS : SUBSET- 8 September 23. Nous avons présenté une méthode d essai permettant de caractériser le niveau d immunité du système de transmission entre le sol (balise) et le train (l antenne). Nous proposons ensuite de substituer la balise par une boucle de référence qui génère un