Brevet FR2124105A1 — publié le 19720922

La présente invention a trait à des perfectionnements apportés aux procédés et dispositifs d'analyse spectrale de signaux électriques. Elle concerne notamment des procédés et dispositifs d'analyse en temps réel, c'est-à-dire capables de fournir, au 5 bout d'un intervalle de temps et avec une résolution égale à , le spectre de fréquences d'une tranche de durée To d'un signal électrique. Le terme résolution est pris ici comme synonyme de sélectivité, c'est-à-dire de l'aptitude de l'analyseur du spectre de produire deux signaux d'amplitude égale séparés par 10 un élément de résolution. Dans le'domaine technique considéré, la présente invention concerne, plus particulièrement, des dispositifs d'analyse comportant à l'entrée un ensemble de compression de temps des tranches du signal à analyser dans lequel ces tranches sont successi-15 vement'échantillonnées et quantifiées, passent dans une mémoire tampon et sont reconverties à la sortie en un signal analogique de durée comprimée suivant un facteur de compression de temps choisi. Le facteur de compression est égal au rapport de la -fréquence de lecture des échantillons dans la mémoire avec la fréquen-» 20 ce d*échantillonnage du signal d'entrée. Différentes réalisations de tels dispositifs sont connues, comme par exemple celles décrites aux pages 528 à 530 de l'article de P. TOURNOIS et J. BEE2HEAS intitulé : "Use of dispersive delay lines for signal processing in underwater acoustics", paru 25 dans le volume 46, numéro 3 de 1969 du "Journal of the Acoustical Society of America". Un avantage important des dispositifs décrits dans cet article est qu'ils conservent leur fonctionnement en temps réel et fournissent le même nombre de raies spectrales dans une grande gamme de bandes de fréquences analysées. Ces disposi-30 tifs font appel à des techniques de compression de temps des tranches de signaux d'entrée et de filtrage adapté au moyen d'une ligne à retard dispersive du signal résultant de la modulation en amplitude par le signal d'entrée, d'un signal de référence linéairement modulé en fréquence. On peut montrer que si la ligne 35 dispersive possède une variation de temps de retard linéaire dans une bande de fréquencesde largeur , le fonctionnement optimum de ces dispositifs est obtenu lorsque les tranches de 71 03962 2 2124105 signal d'entrée sont comprimées en temps par un facteur de compression K tel que leur durée initiale T devienne égale à -■s— ,deux tranches comprimées successives étant en outre séparées ^ 1 d'une même durée —de manière à éliminer les raies parasites 5 dues aux lobes secondaires. Ce facteur de compression K est un nombre entier positif dépendant de la largeur B de la bande B1 2Ta de fréquences du signal d'entrée : K = 75^— = . la compression de temps réalisée permet donc d'adapter l*'analyseur à la bande BQ du signal d'entrée, la durée TQ des tranches de ce signal 1Q dépondant elle-aussi de ladite bande et étant égale à TQ= ^—T^. Bo A la suite de cette compression de temps, les tranches du signal d'entrée sont appliquées à une entrée d'un circuit hétérodyne et modulent en amplitude un signal de durée modulé linéaire ment en fréquence dans une bande de fréquence de largeur 15 Ces analyseurs ont une sélectivité après compression de 2 temps constante et égale à ^— , donc fournissent un nombre^cons-tant N de raies spectrales éj;al au rapport entre la bande analysée après compression de temps et ladite sélectivité, c'est- B1T1 a-dire N = 4—- . la largeur maximum de la bande de fréquen- B * 20 ces qu'ils peuvent analyser en temps réel est égale à BOjjax= 1 , le facteur de compression de temps étant alors égal à 2. Un objet de la présente invention est de perfectionner ces dispositifs en vue d'accroître par un facteur n leur sélectivité, donc le nombre de raies spectrales qu'ils fournissent en 25 temps réel et ce, dans des gammes de largeurs de bandes de fréquences identiques à celles des dispositifs sus-mentionnés, n étant un nombre entier positif. Suivant la présente invention, le facteur K de compression en temps des tranches de signal à analyser d'entrée est choisi 3o n fois supérieur à celui utilisé dans l'art antérieur précité, B1 c'est-à-dire , K = n , la durée T de ces tranches de o signal d'entrée devenant elle-aussi n fois supérieure, c'est- 71 03962 3 2124105 à-dire T o En outre, pour obtenir le produit de modulation de chacune des n tranches identiques comprimées en temps du signal à analyser par un signal de référence linéairement modulé en 5 fréquence simultanément appliqués au circuit hétérodyne, conformément à l'invention ledit signal de référence, fourni par un oscillateur à fréquence commandée, comprend des bandes de fréquence identique réparties, en nombre égal n et en synchronisme avec lesdites tranches, dans un cycle de séquences 10 de période avantageusement égale à n I-j . D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront au cours de la description qui va suivre, donné à titre d'exemple non limitatif en se référant aux figures annexées qui représentent : 15 la figure 1, le schéma synoptique d'un dispositif d'analyse spectrale utilisé dans la présente invention et de configuration semblable aux réalisations connues; Les figures 2 et 3» des diagrammes amplitude/tempsg|t fréquence/temps de signaux avant modulation tels qu'obtenus/utilisés 20 dans les dispositifs cités comme art antérieur ; Les figures 4 et 5, des diagrammes amplitude/temps et fréquence/temps de signaux avant modulation tels qu'obtenus et utilisés dans le dispositif conformément à la présente invention; La figure 6, un schéma synoptique de 1'ensemble de compres-25 sion de temps selon l'invention uti-lisé dans le dispositif de la figure 1 ; La figure 7» des diagrammes amplitude/temps de signaux auxiliaires appliqués à l'indicateur pour la visualisation des raies spectrales des signaux fournis par l'analyseur. 30 Le schéma synoptique de la figure 1, relatif à un dispositif d'analyse spectrale utilisé dans l'invention, est de configuration semblable à celui des dispositifsprécités dans l'exposé de l'art antérieur. Dans ce dispositif, le signal à analyser d'entrée a, après passage dans un ensemble de compression de temps 1 35 est .modifié en signal b et appliqué à un modulateur 4 recevant par ailleurs un sign&l c d'un oscillateur 5 à fréquence commandée. " Le produit de modulation . . . 71 03962 4 2124105 , b et c de ces deux signaux/apparaît à la sortie du modulateur 4 et passe ensuite dans une ligne dispersive 6 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un circuit 7 de détection d'enveloppe. Le signal de sortie du circuit 7 comporte les raies spectrales 5 cherchées qui sont visualisées, par exemple, en reliant la sortie du détecteur à une entrée Y d'un tube oseilloseopique 8 dont l'autre entrée X reçoit un signal de "balayage transmis par un circuit retardateur 9 . Une horloge mère 2 fournit les signaux de commande des circuits de compression de temps 1 , 10 ainsi que ceux de commande du générateur de "balayage 3 dont la sortie est reliée simultanément à. l'oscillateur à fréquence commandée 5 et au circuit retardateur 9 • la ligne dispersive 6 utilisée présente une variation linéaire de son temps de pro pagation de groupe dans une "bande de fréquences de largeur égale 15 à B.j, cette bande étant centrée sur une fréquence . Dans les dispositifs conformes à l'art antérieur,un fonctionnement optimal est obtenu lorsque l'ensemble de compression de temps 1 possède un facteur de compression E égal à _1_ , 2!B 0 Bq étant la bande du signal d'entrée a . La bande de fréquences 20 pouvant être analysée en temps réel avec ces dispositifs a une largeur maximum BqI^x égale à ~^-L . Le nombre de raies spec- B,j T m traies fournies est constant et égal à ÎT = '—^—— , l'intervalle de temps d'obtention desdites raies étant égal à . Les graphiques représentés sur les figures 2 et 3 serviront 25 au rappel du traitement des signaux avant modulation . La figure 2 montre un diagramme amplitude/temps des tranches de signal à analyser d'entrée a , dans le cas où la bande B1 analysée est égale à la bande maximum BftWay = —~ pouvant être analysée en temps réel, ee qui équivaut à ce que le signal 30 d'entrée a soit découpé en tranches adjacentes successives de durée chacune. Pans le cas où la bande BQ analysée est inférieure à la bande maximum , les tranches du signal d'entrée a se recouvrent partiellement. Le diagramme b de cette même figure 2 représente le signal comprimé appliqué 35 au modulateur 4 , signal qui se compose de tranches de durée 71 03962 5 2124105 Ti identique —?p- . Pour éviter l'apparition de raies parasites dues à l'interaction des lobes secondaires relatifs à une tranche avec le lobe principal relatif à la tranche adjacente, deux tranches comprimées successives de ce signal b sont avantageu- m sement séparées par un intervalle de temps de 1 . Comme le montre le diagramme fréquence/temps relatif à ce signal b , représenté à le. figure 3 , quelle que soit la largeur de la bande B analysée, à condition qu'elle soit inférieure B1 à BoMax " T , le modulateur 4 reçoit de l'ensemble 1 de com- 10 pression de temps des tranches compriméèa, de durée —chacune, T c espacées de —et dans une bande de fréquences dont la largeur B1 est égale à KBq = -Tg~~ le' signal c, représenté sur la partie inférieure de la figure 3 et que_ le modulateur 4 reçoit en outre de l'oscillateur 15 5 à fréquence commandée,-est linéairement modulé en fréquence B1 dans une bande de largeur *r— , ce qui fait que chaque balayage de l'oscillateur 5 permet l'analyse complète d'une tranche de signal d'entrée. Le nombre de raies spectrales de ces analyseurs demeurant constant quelle que soit la bande analysée, dans le cas 20 où cette dernière est relativement importante, ce nombre peut s'avérer insuffisant. Suivant la présente invention, on augmente le nombre de raies spectrales dans un rapport n , n étant un nombre entier positif, en rendant le facteur K de compression en temps n fois 25 supcrieur à la valeur utilisée dans l'art antérieur et en découpant corrélr.tivemsnt le signal d'entrée a en tranches d'à B1 durée n fois supérieure à —. A cette fin, comme dans les réalisations antérieures, l'ensemble de compression de temps 1 comporte notamment une mémoire tampon dans laquelle la durée 30 du signal est comprimée. Au bout d'une circulation des échantillons quantifiés dans la mémoire de compression de temps de l'ensemble 1 , le sipial bQ obtenu se compose de tranches comprimées, de durée —jr- chacune, apparaissant à tous les intervalles 71 03962 6 2124105 de temps T0 ~ T-j • Suivant la présente invention, le nombre de circulations d'une même tranche de signal d'entrée comprimée dans la mémoire de compression de temps est choisi égal à n ; le modulateur 4 reçoit 5 donc alors n fois successivement, dans une séquence comprise dans un cycle de période nT1, cette même tranche comprimée de T1 durée -g*— , à des intervalles de temps , comme le représentent les diagrammes amplitude/temps de la figure 4 . Cette séquence est obtenue au moyen d'un 10 ensemble de compression de temps 1 , avantageusement choisi de type digital, semblable à celui de Ici figure 6. Dans cet ensemble 1 , un convertisseur analogique-digital 10, commandé par un signal fourni par une horloge mère 2 , assure l'échantillonnage et la quantification du signal d'entrée a . La fréquence 15 de ce signal d'horloge est avantageusement choisie supérieure au double de la largeur de bande BQ du signal d'entrée de manière à satisfaire la condition définie par le théorème d'échantillonnage de Shannon. La sortie du convertisseur 10 est reliée par la borne d'entrée p d'un double communateur 15 d'accès 20 aux registres alternativement à l'une ou l'autre des bornes de sortie r^ et rg du commutateur. La borne de sortie r^ est connectée à l'entrée d'un registre tampon 11 du type à décalage dont la sortie est reliée à une borne d'entrée r^ d'un commutateur simple 16 d'échange; la borne de sortie r2 est connee-25 tée à l'entrée d'un autre registre tampon 12 dont la sortie est reliée à une autre borne d'entrée rg du même commutateur 16. La borne de sortie q du commutateur 16 est reliée à l'entrée d'un registre à décalage 13 , lui-même relié par sa borne de sortie d'une part à un convertisseur digital-analogique 14 four-30 nissant le signal b comprimé en temps, et d'autre part à la seconde entrée q du commutateur d'accès 15. Le décalage des informations dans le registre 13 est commandé par un signal fourni par l'horloge mère 2. La fréquence de ce signal d'horloge Hg est choisie K fois supérieure à celle du signal d'échantil-35 lonnage de manière à ce que chaque tranche de signal d* entrée 71 03962 7 2124105 a subisse une compression de temps de rapport K . Une même tranche comprimée en temps circule n fois de suite dans une boucle formée par le registre 13 et l'un ou l'autre des deux registres tampons 11 et 12. , suivant la position r^ ou rg sur 5 laquelle sont commutés les accès q des commutateurs 15 et 16. Gomme le montrent les diagrammes amplitude/temps de la figure 4, le signal b que le modulateur 4 reçoit de l'ensemble 1 se compose donc de séquences de n tranches identiques de durée T1 —x chacune, avantageusement séparées par des intervalles de T1 10 temps égaux eux-aussi à —^ . Pendant qu'une tranche de signal comprimé circule de la sorte dans la boucle définie ci-dessus comportant le registre 11 ou 12 les échantillons de la tranche suivante commencent à être emmagasinés 'dans le registre tampon 12 ou 11 disponible, et ce, à la 15 fréquence du signal . Au bout d'une durée nT^ d'un cycle, le rôle des registres tampons est interverti, la commutation des signaux de commande appliqués à ces registres tampons 11 et 12 à chaque cycle de séquence d'une même tranche, est assurée par un double commutateur 17 dont les bornes d'entrée r^ et r2 20 reçoivent respectivement les signaux H2 et et dont les bornes de sortie p et q correspondent à la commande de décalage des registres tampons, respectivement 12 et 11. Un signal fourni par l'horloge mère 2 , de période égale à nT^ du cycle de séquence, commande la liaison établie par les commutateurs 25 15, 16 et 17. En ce qui concerne la capacité de chacun des registres à décalage 11, 12 et 13 utilisés, elle est proportionnelle à 2,5 n B.T., pour chacun des registres tampons 11 et 12 et à 1 Bo 2,5 n (^- - g—) pour le registre 13 , en supposant que la 30 fréquence du signal d'échantillonnage est choisie égale à 2,5 B0. La figure 5 représente des diagrammes fréquence/temps des signaux b et c que le modulateur 4 reçoit respectivement de l'ensemble 1 de compression de temps et de l'oscillateur 5 à 35 fréquence commandée. 71 03962 8 2124105 La bande de fréquences KB du signal comprimé en temps "b B1 est égale à n— Quant au signal c , sa "bande de fréquences totale est elle aussi JB1 égale à mais ,ayant la forme d'une rampe d'escalier, il se com- T1 5 pose de n échelons inclinés successifs de durée —chacun et B1 de "bande —k chacun, deux échelons successifs étant séparées par T1 un palier de durée -~g et ayant des bandes juxtaposées. Comme le montrent les graphiques de la figure 5, chaque partie hachurée du diagramme b est synchrone d'un échelon du signal c linéaire-10ment modulé en fréquence ce qui permet l'anniyse par la ligne dis- B1 persive 6 d'une portion —g de la bande n du signal comprimé b . Le nombre de raies spectrales obtenues pour chaque portion B1T1 B1T1 est égal à HT = —- , ce qui fait qu'au total ce sont tiîT= n —^ ■ raies spectrales qui sont obtenues pour l'ensemble de la bande 15B0 d'une tranche du signal d'entrée a . On a ainsi accru la sélectivité de cet analyseur dans un rapport n , sans changer la B1 valeur de la bande maximum pouvant être analysée en terps réel par le dispositif selon l'invention. La figure 7 montre des diagrammes amplitude/temps du signal 20 d fourni par le générateur de balayage 3 , à l'oscillateur à fréquence commandée 5 et au circuit de retard 9 , du signal X obtenu par passage du signal d dans le circuit de retard 9 » ainsi que celui du signal W de commande du Wehnelt de l'organe de visualisation 8 , 25 La durée Tg ? dont est décalé le début du signal X par rapport au début du signal d , est égale au temps de retard moyen de la ligne dispersive 6 . Quant au signal W , dont le rôle est de permettre l'élimination des spectres images, c'est un signal rec/ Se pJriode . Il est fourni par l'horloge mère 2, 30 de même que le signal de commande du'générateur de balayage 3 . La description qui précède a été donnée à titre d'exemple non limitatif. Il est entendu qu'elle englobe tout dispositif 71 03962 9 2124105 utilisant une technique d'analyse similaire. Elle englobe ainsi notamment les dispositifs dans lesquels le signal à analyser d'entrée est rendu complexe par tout moyen connu de modulation, auquel cas chaque composante dudit signal est traitée par des 5 circuits semblables à ceux décrits dans ce qui précède, la combinaison desdites composantes s1effectuant juste avant l'entrée dans la ligne dispersive. On peut ainsi, de manière connue, accroître la largeur maximum de la bande analysée. 10 71 03962 2124105 REVENDICATIONS 1. Procédé d'analyse spectrale en temps réel de signaux électriques, utilisant successivement la compression de temps, dans un ensemble comportant une mémoire sous commande des signaux d'horloge, des tranches échantillonnées et quantifiées d'un si-5 gnal d'entrée ayant une bande de fréquences BQ, l'hétérodynage des échantillons comprimés avec un signal de référence linéairement modulé en fréquence d'un oscillateur à fréquence asservie et le traitement du produit de modulation dans une ligne dispersive adaptée ayant une variation du temps de propagation de groupe 10 linéaire dans une bande de fréquences B^, suivi par la détection d'enveloppe du signal contenant les N raies spectrales d'analyse caractérisé en ce que la durée T de chaque tranche échantil- B lonnée du signal d'entrée (a) est rendue égale à n T. en choisissant un facteur K de compression de temps de valeur égale B1 15 à n ~~2tT » 11 étant un nombre entier positif de circulations o dans une mémoire d'une même tranche (b) de durée comprimée T B 1 dans une bande ^ , ces tranches étant réparties dans la 2 2 B1 bande de fréquences totale n dans un cycle de séquences d'une même tranche comprimée et en ce que ledit signal de réfé-20 rence (c), asservi à un signal de balayage (d) et appliqué au modulateur du circuit hétérodyne (a), comporte des bandes de S fréquence identiques 1 réparties en quantité égale audit 2 B nombre n dans sa bande de fréquences totale égale à n "■ et synchronisées avec les tranches (b) de ladite séauence, le pro- B1 25 duit de modulation après traitement étant composé de nN=n 4 raies spectrales. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit signal de balayage (d) est en forme de rampe d'gscalier et comporte (Pig.7) des échelons inclinés de durée , de 30 niveau variant linéairement et en quantité égale audit nombre n, répartis à des intervalles de temps î, égaux et séparés par des m i 1 paliers de durée —r— . 71 03962 2124105 3.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux d'une horloge mère (2) commandant conjointement les organes (Figure 6) de 1'ensemble de compression de temps (1) de telle sorte qu'un premier signal (H^) assure, à un rythme d'une 5 fréquence supérieure au double de la bande BQ du signal d'entrée, l'échantillonnage et la quantification dudit signal d'entrée et le décalage des échantillons quantifiés (a) alternativement dans l'un ou l'autre des registres tampons d'accès (11 ou 12), qu'un deuxième signal (Hg) assure, au rythme du premier signal 10 multiplié par le facteur K de compression choisie, le décalage dans un registre de sortie (13) et le registre d'accès disponible (12 ou 11) connectés en boucle et formant une mémoire circulante, et qu'un troisième signal (H^) réalise, au rythme de la période dudit cycle de séquences, la commande des commutateurs 15 de liaison d'accès (15) et d'opération d'échange (13), ainsi que de décalage (17) des registres de ladite boucle. 4. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les signaux de décalage (H^) des registres dans la boucle, du cycle de séquences d'une même tranche(b) d'échan-20 tillon comprimé, de balayage(d) et de référence .(c) ont une durée égale à n . 5. Procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4 , caractérisé en ce que le signal de balayage (d) commande, de manière connue, ledit oscillateur de fréquence (5) et la tension 25 de déviation d'une paire de plaques (X) d'un oscilloscope (8), avec un retard (9) égal au retard moyen de ladite ligne dispersive (6) et en ce que un signal rectangulaire de l'horloge mère(2) synchronise le signal de balayage (d) et commande la tension de Wehnelt(W) dudit oscilloscope. 30 6. Dispositif d'analyse spectrale en temps réel, mettant en oeuvre le procédé suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 et 5 et utilisant les techniques de compression de temps des tranches de signaux d'entrée et de filtrage adapté au moyen d'une ligne à retard dispersive du signal résultant de la modulation en 35 amplitude par le signal d'entrée d'un signal de référence linéairement modulé en fréquence, dans lequel les organes de l'ensemble de compression de temps sont "71 03962 2124105 asservis à une horloge mère caractérisé en ce que cet ensemble (1 Fig.6) comporte, entre son convertisseur analogique-digital (10) d'entrée et son convertisseur digital-analogique (14) de sortie, un commutateur double d'accès (15) et un commutateur-5 simple d'opération d'échange (16) ayant, entre leurs bornes (r.j , r2) respectives de sortie et â'entrée, deux registres tampon (11, 12) connectés en parallèle et commutables alternativement au rythme du cycle de séquences de la tranche ©oja-parimée, l'un d'eux étant connecté au convertisseur d'entrée (10) tandis 10 que l'autre forme une boucle avec un registre de sortie (13) connecté au convertisseur de sortie (14) et inversement. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que conjointement aux dits commutateurs d'accès (15) et d'échange (16) il est prévu un commutateur double (17) d'opération de déca-15 lage commandé audit rythme du cycle de séquences, le registre tampon commuté sur l'entrée étant relié à une borne de l'horloge (2) fournissant un signal (H^) à la fréquence d'échantillonnage, tandis que les registres commutés en boucle et formant une mémoire circulante sont reliés à une autre borne de l'horloge qui fournit 20 un signal (Hg) à la fréquence d'échantillonnage multipliée par le facteur K de compression choisie et inversement.