Brevet FR2057037A1 — publié le 19710507

L'invention se rapporte d'une façon générale aux dispositifs connus sous le nom de boucles de cadrage de phase et plus particulièrement à des' appareils pour cadrer la fréquence et la phase de signaux engendrés localement, avec la fréquence de la porteuse d'un signal reçu dans un système de communi— 5 cation. Dans un système de.communications du type digital cohérent, les signaux sont transmis au cours de périodes de courte durée, ou rafales, de façon à économiser l'énergie en ne transmettant pas continuellement la porteuse. Dans un second type de système, où les signaux d'un ensemble de stations sont inter-10 calés ou multiplexés dans le temps dans un transmetteur, les signaux sont aussi transmis par rafales. Dans les deux cas, la station réceptrice doit se cadrer sur la porteuse reçue en fréquence et en phase au début de chaque rafale afin que la synchronisation et la démodulation dè l'information digitale puisse s'accomplir. Le cadrage sur la porteuse ou " acquisition de la 15 porteuse " est habituellement réalisé au cours d'une brève période initiale lorsque la porteuse est non modulée pour réduire la période d'acquisition. Puisqu'aucune information utile n'est passée pendant cette période et que l'on consomme de l'énergie, il est souhaitable de diminuer le temps d'acquisition de la porteuse autant qu'il est possible de le faire en vue d'accroître 20 la capacité de transfert d'information de la rafale tout en maintenant fiable cette opération. Un moyen de diminuer le temps d'acquisition de la porteuse est d'accroître la largeur de bande de la boucle de cadrage de phase. Cependant, une plus large bande accroît la distorsion de phase et accroît le niveau de 25 bruit dans la boucle. Selon la présente invention, l'appareil de cadrage de phase réalisé est le siège d'ion signal transmis extérieurement A sin (uf^t + 0^) qui est le signal reçu et d'un signal engendré intérieurement A cos (^t + 0^) . On désire cadrer ces deux signaux en fréquence et en phase. L'erreur de phase 30 ou différence entre les signaux est définie par 0 = 0^ - , ou 6^ et 9^ sont respectivément les angles de phase correspondant à chacun des signaux. Les termes oj^ et représentent les fréquences en Radian de chacun de ces signaux. Ordinairement, et peuvent initialement être rendus voisins si la fréquence du signal externe est connue d'une façon approximative en réglant 35 la fréquence du signal local pour en être voisin. Lorsque la différence de phase est réduite dans la boucle de cadrage de phase, la différence de fréquence est aussi réduite. Selon un mode de réalisation de l'invention, un âément non linéaire de caractéristiques choisies est inséré dans la boucle pour fournir une caractê- 70 29180 2 2057037 ristique de détection d'écart de phase pour certaines valeurs de la différence de phase d.e façon que le temps de cadrage de la boucle puisse être sensiblement réduit. Une fonction non linéaire particulière qui. fournit une fonction caractéristique d'écart ou " accélération de phase " est un élément de circuit ^ donnant un signal de sortie en réponse à un signal d'entrée donné qui est la racine carrée de ce signal. Cependant, comme on lé montrera ci—après, d'autres fonctions satisfaisant à un critère donné peuvent aussi être utilisées. - Sur le dessin qui illustre les modes de réalisation de l'invention, la figure 1 est un schéma sous forme de blocs d'un mode de réalisation préféré 10 de la boucle de cadrage de phase de l'invention, la figure 2 un graphique des réponses de diverses boucles de cadrage de phase utile pour ia compréhension de l'invention, les figures 3,4 et 5 des graphiques de temps de réponse de divers types de boucles de cadrage de phase. 15 Si l'on se réfère maintenant à la figure 1, où l'on a représenté un schéma, sous forme de blocs, d'un mode de réalisation d'une boucle de cadrage de phase selon la présente invention, on voit qu'.un"signal d'entrée , qui peut être un signal d'onde porteuse non modulée, par exemple : A sin + 9^) est transmis sur la ligne 1 à un multiplieur conventionnel 2'. Un second signal 20 a cos (î^t + 9g) qui est la sortie d'un oscillateur à tension contrôlée (0TC)3, décrit ci-après, est appliqué au multiplieur 2 sur la ligne 4. Le multiplieur 2 fournit un signal de sortie qui est une fonction de la différence de phase entre les deux 'signaux d'entrée. L* analyse des boucles de cadrage de phase a montré que la' Sortie du 25 détecteur de phase (multiplieur 2) pour une boucle conventionnelle est essentiellement une fonction sinusoïdale de la différence des angles de phase des signaux appliqués au multiplieur. Voir par exemple l'ouvrage de Andrew J. Viterbi : Principles of Coherent Communication (Principe de Communication Cohérente) McGraw-Hill, New York, 1966, chapitre 3. 30 La sortie du multiplieur 2 est d'abord appliquée à un filtre passe bande (FPB) 5 ayant une fréquence centrée sur la fréquence de la fonction différence de phase de la sortie du"multiplieur. Le filtre passe bande est un élément conventionnel dans les boucles de cadrage de phase. La sortie du filtre 5 est alors transmise au circuit non iinéaire 6 qui peut par exemple 35 être un circuit de moyenne quadratique. Comme exposé ci—après les^caractéristiques peuvent être choisies pour être autre que la racine carrée sous certaines restrictions. Les circuits capables de fournir en réponse à un signal d'entrée donné"une sortie correspondant à la racine carrée de ce signal sont connus en ce domaine, et lés circuits eux-mêmes ne font pas l'objet de l'in-40 vention. L'introduction*du circuit non linéaire 6 dans la boucle change les 70 29180 3 2057037 caractéristiques du système en Ysin p pour 0 La sortie du circuit non linéaire est appliquée à un filtre passe bas conventionnel 7 ayant une caractéristique de transfert P (s). L'oscillateur 5 à tension contrôlée 3 reçoit la sortie du filtre 7 pour fournir un signal qui est cohérent avec le signal reçu lorsque la boucle réalise le cadrage. La figure 2 est un graphique montrant les caractéristiques de réponse de deux types de boucle de cadrage de phase de l'art antérieur et une caractéristique possible selon l'invention : celle donnant pour réponse la racine 10 carrée pour des différences de phase à l'entrée allant de - Tf à 77". La réponse de la boucle conventionnelle est sin fi et l'on a représenté la tangente f (fi) = fi à cette courbe de réponse. De même une réponse d'une boucle utilisant un cadrage par la méthode connue sous le nom de tanlock a été donnée pour K = 0,7. La réponse d'une boucle de ce type est généralement de la 15 forme : f (fi) = cbs"jfl * Une discussi°n plus approfondie de la méthode est donnée au brevet américain 3.204.185 délivré à Lomé M. Robinson le 31 Août 1965 et à l'article "Tanlock — Lock Loop of Extended Tracking Capabi-lity" (Tanlock : "Boucle à cadrage de phase à possibilité d'acquisition accrue") de L.M. Robinson dans la revue " Proceedings 1962 Conv. on Military Electronics 20 Feb. 7-9, Los Angeles, Calif. La réponse en V sin fi qui est l'une des caractéristiques possibles selon l'invention a été représentée. On notera que la caractéristique ^ sin fifournit une réponse f (fi) au-dessus de la tangente pour de petites valeurs positives de fi et situées au-dessous de la tangente pour de petites valeurs négatives de fi fournissant de la sorte une réponse 25 sensiblement plus grande pour ces valeurs que la boucle de réponse sinusoïdale conventionnelle ou de "tanlock". Cette réponse plus large entraîne une plus grande rapidité de cadrage de la boucle. Les courbes de réponse desboucles de l'art antérieur tendaient à se redresser en s'approchant d'une erreur de phase nulle, plus lentement, en raison de la valeur plus faible de f(fi) pour des petites différences de phase. Les références aux figures 3-4 et 5 illustrent cet effet. La phase portée en ordonnée est exprimée en degré et le temps porté en abscisse est exprimé en nanoseconde figure 4 et en unité de 500 nanosecondes figures 3 et 5. Les simulations par calculateurs des courbes de réponse pour les caractéristiques sin fi, "tanlock" avec K = 0,7 et 35 \/sin fi selon la présente invention ont été représentées respectivement aux figures 3,4 et 5. Dans chaque cas il existe une erreur de phase initiale de 45° et chaque boucle possède une fonction F(s) identique. Il est clair d'après les courbes de réponse que la réponse \/ sin fi approche vers 0° plus rapidement non seulement pour des différences de phase faibles mais aussi pour des 40 différences de phase plus grandes. 70 29180 4 2057037 La figure 3 représente la caractéristique de réponse sin fi conventionnelle pour trois différents écarts initiaux de fréquence : _+. 0,3 MHz et - 1 MHz. Dans chaque cas le temps de cadrage est d'environ 875 nanosecondes. La figure 4 montre la réponse " tanlock " pour K = 0,7 pour des écarts 5 de fréquence de plus ou moins 1 MHz. Le cadrage n'est pas encore obtenu après 1000 nanosecondes. . La figure 5 représente la réponse V sin fi pour des écarts initiaux de fréquence de +.0,3 MHz et - 1 MHz. Dans le cas le plus défavorable d'un écart de — 1 MHz, le cadrage est obtenu en 700 nanosecondes. 10 Bien que la non- linéarité de la racine carrée ait été choisie ci- dessus, une formule plus générale concernant une non linéarité convenable peut être donnée. Selon l'invention, on choisit essentiellement une réponse tombant au-dessus de la tangente f (fi) = fi pour les petites valeurs de la différence de phase. Cette famille de fonctions est définie par 15 « où k et n sont des entiers positifs est une constante et Gj__(x) = xmk avec x 0 et 1 > m^^» O = -(-x) avec x ; ainsi pour la réponse particulière de \/sin fi :n=1,m^=0,5 et x = sin fi 20 " G (x) = x 0,5 = Vx ; 0^ x = -(-x) - V -x avec x ^ 0 Il est clair pour les personnes ayant une connaissance ordinaire de ce domaine de la technique que des générateurs de fonction peuvent être construits pour satisfaire chacune des diverses courbes de réponse possibles définies par 25 l'équation ci-dessus. Ces générateurs ne font pas l'objet de l'invention. La boucle de cadrage de phase décrite ci-dessus s'est montrée particulièrement utile pour recouvrer une porteuse dans les systèmes de communication digitaux avec démodulateurs à décalage de phase commandé et particulièrement pour des communications par satellites où des transmissions par rafales sont 30 employées pour conserver l'énergie et où les transmissions par rafales sont utilisées pour le multiplexage dans le temps. 70 29180 5 2057037 BBVENDICATIONS 1°) Combinaison d'un appareil de cadrage de phase pour le cadrage de la fréquence et de la phase d'un signal engendré intérieurement avec la fréquence et la phase d'un signal transmis extérieurement, ledit appareil comportant 5 des moyens pour fournir un âgnal de différence de phase qui est une fonction de la différence de phase des signaux interne et externe,des moyens répondant au signal de différence de phase et le recevant pour filtrer ledit signal dans un filtre passe bas, des moyens répondant audit signal filtré et le recevant pour fournir un signal de sortie dont la fréquence est une fonction 10 de la tension dudit signal filtré par le filtre passe bas, ledit signal de sortie constituant ledit signal engendré intérieurement, et des moyens pour appliquer ledit signal engendré intérieurement audit moyen engendrant ledit signal de différence de phase et ladite combinaison comprenant en outre un dispositif de circuit non linéaire pour modifier les caractéristiques de 15 réponse dudit appareil de cadrage de phase pour fournir une caractéristique de réponse de la boucle tombant au-dessus de la tangente f (fi) = fi pour des petites valeurs positives de la différence de phase fi et tombant au-dessous de la tangente f (fi) = fi pour les petites valeurs négatives de la différence de phase. 20 2°) Combinaison selon la revendication 1 dans laquelle la caractéris tique de réponse de la boucle fournie par ledit dispositif du circuit non linéaire satisfait à l'une des familles de fonctions définies par s(x) = îèri Ak Gk (x) où k et n sont des entiers positifs, une constante et 25 où = avec x^° e1: 1 ^ 0 Gk(x) = —(—x) mk avec x ^.0 et 1 >mk>0 3°) Combinaison selon la revendication 2 où n = 1 , m^ = 0,5 et x = sin fi, de sorte que la caractéristique de réponse de la boucle est définie parVsin fi pour fi ^ 0 -et ^>ar -y- sin fi pour fi ^ 0. /