Brevet FR2056919A1 — publié le 19710507

La présente invention est relative à des modificateurs • d'écart. Pour obtenir le meilleur fonctionnement des appareils à modulation de fréquence ou par déphasage à grand écart, il est 5 fréquemment souhaitable de porter le seuil du démodulateur de l'appareil à une valeur inférieure S celle qui est possible avec les techniques de démodulation en modulation de fréquence classiques. Il a été proposé plusieurs procédés pour y parvenir notamment ceux utilisant des démodulateurs verrouillés en phase. 10 Cette technique filtre le signal à fréquence intêrmédiaire selon une bande passante plus étroite que celle qui est admissible dans un démodulateur classique. L'invention qui est destinée à décaler le seuil en modulation de fréquence ou en modulation par déphasage permet de 15 réduire ou d'augmenter l'écart d'un signal incident à modulation de fréquence ou par déphasage en se basant sur le principe de l'isolation de phase synthétique. Le décalage du seuil ne se produit que lorsque le dispositif est employé en réducteur d'écart toutefois, ce dispositif peut également être utilisé comme agran-20 disseur d'écart à d'autres fins,- comme par exemple pour ies étages intermédiaire à fréquence moyenne. Ce principe est décrit dans le brevet français n° 1.530.054. Le signal d'écart réduit est transmis à travers un filtre et est appliqué à un démodulateur classique. Ce procédé,ainsi'que tout autre procédé 25 de décalage du seuil en modulation de fréquence ou par déphasage, n'agit que sur les signaux à grand écart, du fait que la bande passante minimale d'un appareil est égale â deux fois le taux d'information et, si un avantage quelconque doit être obtenu de la réduction de l'écart, le rapport d'écart doit être assez 30 grand. La technique de l'invention est issue du désir d'employer la technique d'isolation de la phase synthétique à réaction dans un récepteur à modulation de fréquence à "seuil décalé". La largeur de bande de corrélation de ce montage réactif dépend 35 de celui qui le conçoit de même que le rapport du retard (pente de la caractéristique de phase). La largeur de bande du bruit du réducteur d'écart peut être étroite comme dans les récepteurs à seuil décalé classiques, sans entraîner de distorsions importantes des signaux ni de perte de réception. Ceci est dû au fait 40 que le dispositif de traitement des signaux ne nécessite pas un 70 27571 2056919 circuit de saturation tel qu'un limiteur, en discriminateur ou tm oscillateur â contre-réaction et modulé en fréquence. Une autre application de 1'invention est peut être trouvée dans les systèmes de communication par satellite. Des transmis-5 sions à taux de modulation élevé sont utilisées dans les liaisons spatiales. La même information est souvent appliquée à un relais radio â porte optique qui emploie un taux de modulation plus faible» Cette technique de changement d'écart peut être utilisée pour effectuer une conversion à faible distorsion entre 10 les deux éléments du système. Les distorsions de démodulation et de remodulation significatives sont supprimées étant donné que ces éléments n'apartiennent pas ai système. L'invention atteint, les buts ci-dèssus en- fournissant un appareil permettant de modifier l'écart de fréquence des signaux 15 modulés en fréquence et par déphasage,, cet appareil comprenant un dispositif pour recevoir un signal incident ayant une première valeur de fréquence, un dispositif pour diviser le signal incident «a deux parties parallèles, un dispositif pour retarder les signaux dans chacune des branches pendant des durées prédé-20 terminées, un dispositif pour mélanger le signal incident de chaque branche avec le signal retardé provenant de l'autre branche, un dispositif pour fournir un signal de sortie à partir des branches, ce signal de sortie étant modifié en fréquence par rapport à celle du signal incident selon les durées prédéter-25 minées des dispositifs à retard, et un dispositif de réaction connecté entre le dispositif de sortie des signaux et le dispositif de réception des signaux incidents et maintenant le signal incident à un niveau d'amplitude fixe.. „ D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront 30 au cours de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels ; la Fig. 1 représente un schéma synoptique d'un mode de réalisation du modificateur d'écart de l'invention ; la Fig. 2 représente un mode de réalisation de l'invention 35 qui ne fournit qu'une réduction de, l'écart -, la Fig. 3 représente un diagramme de la réponse en amplitude du réducteur d'écart représenté à la Fig. 2; la Fig. 4 représente un exemple de diagramme de ' fréquence montrant les fréquences optimales permettant de rendre 40 maximale la largeur de bande disponible ; 70 27571 3 2056919 la Fig. 5A et 5B sont des graphiques des réponses en amplitude et en phase de deux filtres ''"a La Fig. 1 représente un schéma synoptique d'un modificateur d'écart 10 selon l'invention. On peut supposer que les signaux d'entrée et de sortie du modificateur 10 sont les suivants : V e = cos ( w -j_ t + JZf) (1) Vs = cos ( w t + 0) (2) Le niveau de ce signal d'entrée est fixé par un circuit de commande automatique du gain 12 afin de maintënir linéaire 10 le traitement dans le modificateur 10. Le signal provenant .du circuit de commande automatique de gain 12 est appliqué à deux branches parallèles 14 et 16. La branche 14 comporte un filtre passe-bande 18 CC^) dont la sortie est appliquée â un mélangeur 20 (M^). La sortie de ce mélangeur 20 est appliquée 15 à un autre filtre passe-bande 22 • La branche 16 comporte un filtre passe-bande 24 (^3) dont la sortie est appliquée à un mélangeur 26 (M2) . La sortie du mélangeur 26 est appliquée à un autre filtre passe-bande 28 (T^) • La sortie du filtre 22 est mélangée à la sortie du filtre 24 dans le mélangeur 26, tandis 20 que la sortie du filtre 28 est mélangée à la sortie du filtre 18 dans le mélangeur 20. La sortie du filtre 22 est appliquée dans une boucle de réaction 30 par l'intermédiaire d'ion détecteur 32 et d'un amplificateur à courant continu 34 au circuit de commande automatique du gain 12 pour maintenir un niveau d'ampli-25 tude d'entrée fixe. Au cours du fonctionnement du modificateur d'écart 10 de la Fig. 1, les filtres-passe-bande 18, 22, 24 et 28 fonctionnent comme des lignes à retard. Comme ce sont des filtres passe-bande, ils ne considèrent que les bandes latéralés inférieures provenant 30 des mélangeurs 20 et 26. Le filtre 18 fournit un retard£X^ tandis que le filtre 2 4 fournit un retard*"^/ de sorte que les sorties des filtres 18, r*.t 24 sont respectivement : cos {w1(t+ #3 cos [^(t - 35 Le mélangeur 2 6 mélange la sortie du filtre 24 donnée par l'équation (4) avec le signal Vg donné par l'écruation (2), ce qui donne la sortie suivante du mélangeur 26 : cos[ (vaJx - m2) t -^1^2 + $ ~ £7 (5) 70 27571 4 2056919 Le retard"^ produit par le filtre 28 fournit le signal : cos [{^ - w 2) (t - ^ + 0 - «3 (6) Le signal fournit par 1'équation (6) se réduit â : cos ~ *J2) t ~ W1 ^4 + ** 2 ^4 ~ 3^3 + ^ ~ O (7) 5 Le signal fournit par l'équation (7) est mélangé ensuite dans le mélangeur 20 avec le signal de retard provenant du filtre 18 et donné par l'équation (3), ce qui fournit la sortie suivante du mélangeur 20 : cos \y)2 t - ^ 0J1 + 0 + y4 - UJ2 T4 + rf3- 0+{Q(8) 10 qui se réduit à : cos [u>2 t +u^1 J4 -^2 ^ + (g) Le signal donné dans l'équation (9) est ensuite retardé de C 4 par le filtre 22, ce qui fournit le signal de sortie : cos|>2 *'-*2%. "Wl^l + W1 3*1 -^2-^4 +^1^3 + (10) 15 qui est égal par hypothèse aù signal de sortie Vs donné dans l'équation (2). En résolvant cette égalité, on obtient : "^2^2 "^1^1 +^l/^4 -^2^4 1*^3 Œ 0 - 1^ 4 ) =^2 #2 + %! ._/ -, (11) ,.n * 1 = 2 +/T4 1 w>2. CT-3 + Par conséquent, en choisissant judicieusement les retards produits par les filtres 18, 22, 24 et 38, w2 peut être augmenté ou réduit par rapport à Le modificateur 10 permet ainsi de décaler le seuil de modulation de fréquence ou par déphasage 25 ou de réduire l'écart ou d'agrandir un signal incident pour pouvoir appliquer des signaux à fréquence intermédiaire sans qu'il soit nécessaire de démoduler et de remoduler ensuite ces signaux. La Fig. 2 représente un schéma synoptique d'un mode de 30 réalisation de l'invention qui n'assure qu'une réduction de l'écart. Un signal d'entrée est appliqué â un circuit de commande du gain 42 afin de maintenue linéaire le traitement dans le réducteur 40. Le signal provenant du circuit de commande automatique - du gain 42 est appliqué à deux branches parallèles / 35 41 et 43. La branche 4Î comporte un mélangeur 44 (M ). La sortie du mélangeur 44 est appliquée à un filtre passe-bande 46 Q^g)• 70 27571 5 205691.9 La branche 43 comporte un mélangeur 48 {ML,} • La sortie de ce mélangeur 48 est appliquée à un filtre passe-bande 50 ( 3"^) . La sortie du filtre 46 est mélangée au signal d'entrée dans le mélangeur 48, tandis que la sortie du filtre 50 est mélangée 5 au signal d'entrée dans le mélangeur 44. La sortie du filtre 46 est également appliquée dans une boucle de réaction 52 par l'intermédiaire d'un détecteur 54 et d'un amplificateur à courant continu 56 au circuit de commande, automatique du gain 42. Au cours du fonctionnement du réducteur d'écart 40, les filtres 10 passe-bande 46, 50 fonctionnent comme des lignes à retards. Comme ce sont des filtres passe-bande, ils ne considèrent que les bandes latérales inférieures provenant des mélangeurs 44 et 48. Si chaque mélangeur 44 et 48 fournit la bande latérale • inférieure, les phases des entrées des deux mélangeurs se sous-15 traient. Comme le réducteur 40 est une. boucle oscillante (si le niveau d'entrée est suffisamment élevé), il fonctionne de manière à maintenir un déphasage de 2 nTf radians dans cette boucle. Les fréquences des signaux de sortie des filtres 46 et 50 doivent toujours s'ajouter à la fréquence du signal 20 d'entrée, mais la manière dont elles se divisent dépend des retards fournis par les filtres 46 et 50. Gn trouvera ci-dessous une analyse du fonctionnement du réducteur 40. Le niveau du signal d'entrée du réducteur d'écart 40 est fixé par le circuit de commande automatique du gain 42 pour 25 maintenir linéaire le traitement dans le réducteur d'écart 40. ' Si on suppose que le signal d'entrée est donné par l'équation suivante : V1(t) = Acos£wo t + 0 (t)3 (12) et si la sortie est : 30 V1(t) = Bcos + 6 (t)] (13) il apparaît alorsà la sortie du mélangeur 44 une bande latérale inférieure j ABcos £ ( - «a»^) t + 0 (t) - 0 (t)J (14) Après un retardXfg produit par le filtre passe-bande 46, le 35 signal représenté dans l'équation (14) devient V2 : v2= | abcos[(voo - ^ (t ~y6) + 0 (t ^y6)-*(t -TVl La sortie fournie par l'équation (15) du filtre 46 est appliquée au mélangeur 48 dans lequel elle est mélangée au signal 70 27571 6 2056919 d'entrée fourni par l'équation (12). La sortie du mélangeur (48) est alors : X 2 j A2BcosL^1(t-T6) +v*oT6 + ^(t)-^(t-T^) +e (t-T6Q Après un retard dans le filtre passe-bande 50, le signal représenté dans l'équation (16) devient ; 2 Vi - ~ A2Ecos{^1(t-T5-T6) +wo^ + ' , +e (t-'r5-T6»] = BcosLwA t + Q (t)J (17) 20 10 L'équation (17) fournit : •^A2 = 4 ^ = | (18) Q-(t) = [Vr^ (^5) -fCt^rfy ^8 (t-r5-%) (19) Les parties statiques et dynamiques peuvent être résolues comme suit : ^1 [^5 +/^e] =^o^6 ^ (20) T 5 +T 6 La fréquence de V2 est donnée par - T 5 +rTe ' (21) Le terme dynamique nécessite que : e (t) = J?(t-T5)-^(t-T'5+,^)+e(t-'y5-/T6) (22) La fonction de l'appareil est alors : H (s) - e~ ls 1 - e~^2s (23) P1+T2) s 1 - e~ pour les^ signaux modulés par déphasage. La première partie de cette expression peut être ignorée, du fait que c'est simplement un retard deTg et la fonction de l'appareil pour le calcul du gain et de la phase est : H1 (s) = 1 {24> 1 - e" { 5 +rr6)s en prenant s = j tu . 1 1 - e~^ 6 K 'i" > ' J ^ (25) 1 -, e ^5+ 6^ 25 30 35 7( 5 10 15 20 25 30 35 40 27571 7 2056919 Le conjugué complexe est : * 1 i - e +^6 H (j«>) = — - . ^ (26) ! - 6+3^0 5 +T6) et ainsi le carré du gain est donné par : A2 (mj ) =H1(jw) . 1 (jv^ ) = [l - Cl - ~ —j " +j (£5 +"£~6) 1 - e J 1-e = sin2 -r6) sin2 (1/2 „(£ -f^)) (27) ainsi, l'amplitude de réponse est : A(w) = sin 1/2^6 sin l/2w(r5+T6) (28) pour la modulation par déphasage. Pour les faibles valeurs de Tg) , l'équa A (vu) = J 6 ^ (T^ +Tg) , l'équation (28) se réduit à (29) -r5 +T6 La réponse en phase est donnée par (f1 M - tan"1 In(H)(3"/)) (30) Re(H (j^ ) ) qui, après résolution des parties réelles et imaginaires, fournit : ry 01 (w«) = 1/2 ^ 5 (31) Précédemment, on ignorait le retardet la caractéristique de phase de la fonction de l'appareil pour les signaux modulés par déphasage est donc : 0 M = 3/2 (32) Pour normaliser les formules dérivés à des fins de traçage, on emploie les paramètres suivants : n = ^ 5 +^6 (33) Te f = w (T5 + f6) (34) dans laquelle n est le taux de réduction de l'écart, tandis que f est la fréquence de modulation d'entrée, normalisée pour un retard total dans la boucle de 1 seconde. 70 27571 2056919 10 Ainsi, = f (n-1) 5 1 4L_±L (35) n wTg = f (l)_ (36) n Les fonctions de transfert d'amplitude et de phase sont alors données par : sin 2n f A (f ) = 0(f) = 4 n ^ 1 f (38) o-ir, 1 f ^ sin 3F - 2 n La réponse en amplitude croît lentement. jusqu'à ce que f =T7 et elle croît ensuite asymptotiquement jusqu'à l'infini pour f = 2T/ . La réponse en phase est simplement un retard elle n'exerce donc aucun effet sur le signal. La Fig. 3 représente 15 un graphique de la réponse en amplitude du réducteur 40 en fonction de la fréquence de modulation d'entrée pour diverses valeurs de n. La réponse est plate pour les valeurs de la fréquence de l'ordre 20 ^ max = r 5 +r6 (39) Lorsqu'on construit un réducteur d'écart 40 comme celui représenté à la Fig.2, le choix des fréquences de sortie peut être arbitraire par rapport au degré de réduction d'écart, du fait que le retard est la fréquence centrale d'un filtre 25 sont indépendants. En effet, un filtre tel que 46 et 50 fournit un retard plus un déphasage constant, ce qui introduit une constante dans l'analyse précédente. L'effet de ce déphasage constant est de modifier la fréquence centrale de fonctionnement mais n'affecté pas la réponse dynamique du réducteur d'écart 40. 30 Le choix des fréquences peut ne pas être entièrement arbitraire, en raison du fait que les filtres 46 et 50 doivent diviser les signaux. Si le filtre 50 est rendu étroit par rapport au'filtre 46., la plus grande partie de la réduction de l'écart apparaît à la sortie (t). En raison du fait qu'il est plus 35 facile de rendre des diltres étroits aux fréquences plus basses, le filtre 50 est choisi de façon que sa fréquence centrale soit plus faible que celle du filtre 46. Il est utile d'obtenir ' les fréquences optimales pour rendre maximale la bande passante disponible. La fréquence centrale du filtre 50 est f , la "* â 70 27571 9 2056919 10 15 20 fréquence centrale du filtre 46 est f^, le facteur de réduction d'écart est n et la largeur de bande maximale des signaux d'entrée est B. La Fig. 4 représente le diagramme de fréquence. Pour une largeur de bande maximale : B B , , 1' fa + 2N fb 2 ( 1 ~ n) Pour empêcher le b'2" V" ~ 'u — 2 B - - • B / 1 \ f,_ + 2" ( 1 = 70 ^ ) recouvrement En supposant un signal d'entrée de 70 MHz, on a par définition fa + fb = 70 (41) Une résolution simultanée des trois équations fournit : = 14 ON max 5N - 2 (42) f. = L2N-l] (43) f. a 5N-2 70 ]Q3N-lJ (44) b 5N-2 dans lesquelles N = T5 = 6 (45) 6 Le tableau ci-dessous donne les fréquences optimales pour diverses valeùrsde n n B f a fb 2 35 26,2 43,8 25 4 31 27,2 42,8 6 30 27,5 • 42,5 8 29,5 27,6 42,4 10 29,2 27,7 42,3 30 20 28,6 27,9 42,1 00 28,0 28,0 42,0 Comme les fréquences sont si proches, on a choisi des valeurs de 28 MHz et 42 MHz pour les fréquences f et f^ pour essayer le réducteur d'écart de la Fig. 2. Ceci fournit une 35 largeur de bande maximale de 28 MHz lorsque n devient grand. Pour les essais,T'g et3^g ont été choisi pour obtenir n = 3. Les Fig. 5A et 5B montrent les réponses en amplitude et en phase des deux filtres 50 et 46 respectivement. La pente des courbes de phase fournit un retard du filtre 50 de 280 nano- 7027571 10 2056919 secondes et un retard du filtre 46 de 130 nanosecondes. La réduction d'écart prévue est ainsi : -f* 1 + 2 280 + 130 _ , P M = = = 3,15 "32 130 5 La réduction d'écart du réducteur 40 a été mesurée avec un signal d'entrée à fréquence intermédiaire de 70 MHz et en connectant sa sortie à un analyseur de spectre. On applique " ensuite une modulation de fréquence dé 100 kHz à l'entrée à fréquence intermédiaire et on règle le taux de modulation pour rendre nulle 10 la première porteuse dans le spectre. Le signal à fréquence intermédiaire de 70 MHz est ensuite appliqué directement à l'analyseur de spectres et on règle la fréquence de modulation pour rendre nulle de nouveau la première porteuse. Le rapport de la nouvelle fréquence de modulation de 100 kHz fournit la crêduc-15 tion d'écart. Il est apparu que la valeur mesurée était égale à 3,3, ce qui fournit un degré de précision de prévision entrant bien dans les limites attendues. Ces essais ont indiqué que le réducteur 40 assure une réduction linéaire sans nécessiter de démodulation. Par conséquent, il n'existe pas de seuil decêmodu-20. lation gênant le fonctionnement du réducteur. La technique de l'invention'a résulté du désir d'employer la technique de l'isolation de phase synthétique par réaction dans un récepteur à modulation de fréquence à "décalage du seuil". La largeur de bande de corrélation dece montage réactif dépend 25 de celui qui le conçoit de même que le rapport du retard (pente de là.caractéristique de phase). La "bande passante de bruit du réducteur d'écart peut être étroite, comme dans les récepteurs à décalage du seuil classiques, sans entraîner de distorsion importante des signaux ni de perte de réception. Ceci est dû 30 au fait que le dispositif de traitement des signaux n'a pas besoin d'utiliser un circuit de saturation tel qu'un limiteur, un discriminateur ou un oscillateur à contre-réaction et modulé en fréquence. Une autre application de 1'invention peut être trouvée 35 dans la communication par satellite. On utilise dans ce cas des transmissions à taux de modulation élevée pour les liaisons spatiales. La même information est souvent appliquée à un relais ' radio à portée optique qui emploie un taux de modulation plus faible. Cette technique de changement d'écart peut être utilisée 70 27571 11 2056919 pour effectuer une conversion à faible distorsion entre les deux éléments du système. Les distorsions de démodulation et de remodulation significatives sont supprimées étant donné que ces éléments n'appartiennent pas à l'appareil. 70 27571 12 2056919 REVENDICATIONS 1/ Appareil destiné à modifier l'écart de fréquence de signaux modulés en fréquence et par déphasage, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour recevoir un signal incident 5 d'une certaine fréquence, un dispositif pour diviser et faire passer le signal incident dans deux branches parallèles, un dispositif pour retarder les signaux dans chacune des branches pendant des durées prédéterminées, un dispositif pour mélanger le signal incident appliqué à chaque branche au signal retardé pro-10 venant de l'autre branche, un dispositif pour obtenir un signal de sortie des deux branches, la fréquence du signal de sortie étant modifiée par rapport à celle du signal incident selon les intervalles prédéterminés des dispositifs à retard, et un dispositif de réaction monté entre le dispositif de sortie des 15 signaux et le dispositif de réception des signaux incidents et maintenant le signal incident à un niveau d'amplitude fixe. 2/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dispositifs destinés à retarder les signaux sont des filtres passe-bande qui ne considèrent que les bandes latérales 20 inférieures des signaux et appliquent les intervalles de retard désirés. 3/ Appareil destiné S modifier l'écart de fréquence de signaux modulés en fréquence et par déphasage, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour recevoir un signal incident 25 d'une certaine fréquence, un dispositif pour diviser le signal incident et le faire passer dans deux branches parallèles, un premier et un second dispositifs dans chaque branche pour retarder les signaux passant dans chacune d'elles pendant des intervalles prédéterminés, un dispositif dans chaque branche pour 30 mélanger le signal provenant du premier dispositif à retard d'une branche- au signal provenant du dispositif à retard de l'autre branche, un dispositif pour obtenir un signal de sortie des branches, la fréquence du signal de sortie étant modifiée par rapport à celle du signal incident selon les intervalles prédé-35 terminés des dispositifs à retard, et un dispositif de réaction monté entre le dispositif de sortie des signaux et le dispositif de réception des signaux incidents et maintenant le signal incident à un niveau d'amplitude fixe. ' 4/ Appareil destiné â modifier l'écart de fréquence de 40 signaux modulés en fréquence et par déphasage, caractérisé en ce 70 27571 13 2056919 qu'il comprend un dispositif pour recevoir un signal incident d'une certaine fréquence, un dispositif pour diviser et faire passer le signal incident dans deux branches parallèles, l'une des branches contenant un premier dispositif à retard destiné 5 à retarder le signal incident d'un intervalle prédéterminé, un dispositif de mélange auquel la sortie du premier dispositif à retard est appliquée et un second dispositif à rétard pour retarder le signal provenant du dispositif mélangeur d'un intervalle prédéterminé, l'autre branche comprenant un premier 10 dispositif à retard destiné à retarder le signal' incident d'un intervalle prédéterminé, un dispositif mélangeur auquel la-sortie du premier dispositif à retard est appliquée et un second dispositif à retard destiné à retarder le signal provenant du dispositif mélangeur d'un intervalle prédéterminé, la sortie du 15 second dispositif à retard de la première branche étant, mélangée dans le dispositif mélangeur de l'autre branche au signal provenant du premier dispositif à retard de l'autre branche, tandis que la sortie du second'dispositif à retard de l'autre branche est mélangée dans le dispositif mélangeur de la première branche 20 au signal provenant du premier dispositif à retard de la première branche, un dispositif pour obtenir un signal de sortie des branches, la fréquence du signal de sortie étant modifiée par rapport à celle du signal incident selon les durées prédéterminées des dispositifs à retard, et un dispositif à' réaction monté entre le 25 dispositif de sortie des signaux et le dispositif de réception des signaux incidents et maintenant le signal incident à un niveau d'amplitude fixe.