Brevet FR2177455A1 — publié le 19731109

La présente invention, concernant la technique de la communication radioélectrique, est plus spécifiquement relative à un décommutateur de télécommande ou analogue, fonctionnant sur un message codé constitué par des trains dtim- pulsions modulées en durée, en voulant dire par là que les instants initiaux des impulsions successives (représentant des "bits" 0 ou 1 ou des signaux de synchronisation) sont régulièrement espacés (à un certain rythme qui est celui de "l'horloge" à l'émission) et que leur longueur varie suivant l'information (0 ou 1 ou "synchro") de chaque impulsion considérée. Les indications données ci-dessus entre parenthèses ne sont que des exemples illustratifs pour faire mieux comprendre de quoi il peut stagir, et il doit être entendu que l'invention n1 est pas nécessairement limitée au cas d'une représentation binaire de l'information ni à la nécessité d'avoir des signaux de synchronisation entremêlés avec les signaux d'information, car les signaux de synchronisation pourraient fort bien être transmis à part, voire non transmis de façon distincte et on les récupérerait localement à la réception à partir des instants initiaux des trains d'impulsuions, Quoi qutil en soit, on considèrera ici, pour fixer les idées, et comme constituant un exemple d'application pratique, un message du type appelé TDCS (= Tone Digital Command Standard) utilisé par la TABLA et les pays européens pour la télécommande de satellites scientifiques. Bien que ce stan- dard" soit connu des spécialistes, on a représenté sur la figure 1, pour rappeler ses caractéristiques, un "mot" émis (par voie hertzienne) suivant la convention choisie dans ce cas et comprenant ici successivement - un espacement E, - un top de synchronisation S et - une série de huit bits d'information 1 0 0 1 1 0 1 0. Les instants initiaux des tops ou bits et espacements définissent la fréquence d'horloge f; les instants successifs en question sont donc écartés dans le temps d'une période T = i/f. En mettant de oEté les espacements, durant lesquels aucune information n'est transmise, les tops ou bits sont modulés par une fréquence sous-porteuse F qui est choisie égale à un multiple entier de la fréquence d'horloge . Dans le standard considéré F = 72 f, on voit que comme un bit 1 a une longueur de 36 oscillations, il correspond à une durée T/2; de mu,,, un bit 0 a une longueur de 18 oscillations et correspond à T/4 et le top de synchronisation a une longueur de 54 oscillations et correspond à 3 T/4 (on n'a pas représenté ces nombres d'oscillations sur la figure). Ainsi, dans un message comportant des bits ou tops modulés en durée d'une telle manière, on remarque - en mettant à part les signaux d'espacement - que le premier quart du train n'apprend rien sur son contenu d'information; il n'est donc pas caractéristique de l'information (nature ou valeur) correspondante. Ce n'est qu?à partir du deuxième et/ou du troisième quart de la période T qu'on est renseigné sur l'information en question. Dans la réalisation d'un décommutateur devant fonctionner sur un engin spatial et adapté à restituer l'information de départ, une grande difficulté provient de ce que l'information utile constituée par les différents digits est noyée dans du bruit thermique dont on peut admettre qu'il est blanc et gaussien. De plus, la puissance utile reçue peut varier dans d'assez larges limites, suivant la distance entre ltémet- teur sur la terre et l'engin et l'orientation de ce dernier. Les dispositifs décommutateurs connus, réalisés pour fonctionner avec un message de type TDCS ou analogues, offrent l'inconvénient de fournir une proportion d'erreurs trop élevée dans la reconnaissance des bits d'information 0 et f. Ceci tient en partie à ce qu'ils fonctionnent habituellement avec des systèmes de clamping à diodes, éléments non linéaires qui modifient la loi de distribution du bruit, qui n'est plus gaus- sienne, ce qui fait obstacle au fonctionnement correct du décommutateur, car pour un meme rapport signal/bruit à l'entrée, on obtient une dégradation importante de la probabilité d'erreur de bit. Ceci équivaut à augmenter dans de fortes proportions la puissance de l'émetteur pour obtenir un résultat donné. il est clair en effet que dans les liaisons avec engins balistiques, la question des performances du décommutateur embarqué est capitale, si l'on prend en considération la grandeur des distances et de leurs variations, et les conditions de bruit dans lesquelles ils fonctionnent. Or, on a découvert qutil était possible de remédier dans une grande mesure aux variations des distances en tirant profit aussi bien de la partie de l'impulsion, caractéristique de son information correspondante, que de sa partie non caractéristique. C'est pourquoi dans l'invention on donne au décommutateur une structure telle que l'extraction du signal de logique (0, i ou "synchro"), correspondant à une certaine information, s'opère par comparaison de l'impulsion intégrée sur une partie de sa durée caractérisant son information, avec une grandeur de référence, obtenue localement par intégration de l'impulsion sur une partie de sa durée qui n'est pas caractéristique de cette information, ladite comparaison étant réalisée grâce à des moyens ayant pour effet d'établir à une grandeur nulle le seuil de la tension de référence d'un bit ou top, pour décider de la nature ou valeur de ce dernier. Cette comparaison ainsi effectuée permet de s'affranchir alors totalement des variations de la dynamique du signal d'entrée. La détection des "0" et des !'I" peut donc s'opérer de cette manière, ainsi que la restitution des tops de synchronisation et ceci en dépit du bruit. De plus, il est très avantageux à cet égard de démoduler les oscillations de la sousporteuse par une détection cohérente d'enveloppe, et non pas par une détection par diodes. Il convient de préciser à ce sujet, que si le décommutateur de l'invention peut aussi fonctionner sans utiliser un détecteur cohérent pour le but visé - donc en employant à la place un système à diodes ou analogue - les résultats obtenus sont moins bons; en fait, on a reconnu que des performances aussi voisines que pratiquement possible des performances maximales théoriques ne pouvaient être atteintes que par une combinaison bien adaptée de la structure du décommutateur, telle qu'elle vient d'être définie avec comparaison d'une grandeur de référence, et d'un détecteur cohérent d'enveloppe. L'invention sera mieux expliquée et comprise à la lumière de la description ci-après, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins parmi lesquels, en plus de la figure 1 déjà citée : - la figure 2 donne une disposition de principe du décommutateur; - la figure 3 fournit le schéma de l'élément fondamental du décommutateur selon l'invention; - la figure 4, des diagrammes correspondants; - la figure 5, le schéma général d'un décommutateur selon l'invention, et - la figure 6, des courbes de probabilité d'erreurs obtenues avec un dispositif selon-l'invention. On considèrera donc le cas d'un engin recevant de la terre des signaux de télécommande codés en TDCS et modulés en amplitude sur une onde porteuse convenable. A cet effet, à bord de l'engin, on trouvera - une antenne de réception; - un récepteur branché sur ladite antenne et destiné à effectuer la première démodulation (en amplitude); le récepteur fournit le signal à fréquence video, noyé dans le bruit de la liaison - bruit thermique ou bruit du ciel et bruit électronique du récepteur -, ce dernier étant avantageusement réduit au minimum possible; - un décommutateur qui reçoit le signal vide o et le décom mute, ctest-à-dire fournit des signaux-de type binaire qui, après conversion dans une unité de logique, peuvent actionner directement les organes d'utilisation tels que les relais; ainsi qu'il a déjà été dit, l'invention concerne essentiellement le décommutateur même et non pas les autres organes cités. Be décommutateur a pour r81e de transformer les bits O et 1, codés suivant le standard TDCS et portés par une certaine fréquence sous-porteuse, en un train de signaux de type NRZ débarrassés de bruit et sans fréquence sous-porteuse, donc directement assimilables par l'unité de logique. Il est rappelé ici qu'avec des signaux de type IBRZ (= Non Retour à Zéro) la période entière d'un bit constitue le support de l'information. Par exemple, un 1 est reprdsenté par un premier niveau (haut) et un zéro par un deuxième niveau (bas) et on a une transition chaque fois que le bit change d'état (de O à 1 ou de 1 à O). Be bruit additionnel dans le message entrain une dégradation du signal qui provoque, dans le décommutateur, des "erreurs de bit" (transformation d'un zéro en un 1 et inversement). Aussi comprend-on combien il est utile et important que le décommutateur soit conçu de manière que ces erreurs soient réduites au minimum et que la courbe de probabilité d'erreur correspondante soit aussi proche que possible de la courbe mathématique théorique qui caractérise la forme du codage utilisé. Un train TDCS peut s'écrire, en fonction du temps t, sous la forme : f(t) = \f2P sin > vot. m(t) P étant la puissance W O la pulsation angulaire de la sous o porteuse et m (t) une fonction du temps qui représente un signal de modulation de la sous-porteuse (constitué d'une partie périodique et d'une partie aléatoire). Pour décoder les bits O et 1 d'un train TDCS, on peut, théoriquement au moins, faire usage d'un dispositif conçu suivant le schéma de la figure 2. Bes signaux d'entrée f (t) sont appliqués sur un multiplicateur recevant sur son autre entrée des signaux d'horloge sinusoidaux (de la forme \crin tQ ot) On opère ainsi la détection cohérente d'enveloppe des signaux d'entrée et les bits résultant de cette détection passent dans un intégrateur "parfait" Ii, qui intègre entre T/4 et T/2, c'est-à-dire dans la partie de période caractéristique du digit 1. A la sortie, les signaux passent dans un soustracteur C1 qui reçoit le terme de référence P.T/8, puis dans un détecteur de bits D. L'introduction du terme P.T/8 a pour but de définir, dans le cas du standard considéré, un seuil de "décision" qui, quelle que soit la puissance reçue, s'établit à la valeur médiane des tensions représentant les bits 0 et i en fin d'intégration, ceci afin de déterminer ces bits. Ce dispositif de décommutation permet d'atteindre les performances maximales théoriques du système, mais offre l'inconvénient grave de dépendre de la puissance P du signal reçu. Ceci veut dire qu'il faudrait travailler avec une dynamique du signal d'entrée parfaitement connue, ce qui ne peut autre le cas pour les liaisons Terre-engin ici envisagées. Un dispositif selon l'invention tel que celui de la figure 3, qui repose seulement sur l'hypothèse admissible que la dynamique du signal d'entrée n'a pas le temps de changer beaucoup pendant un temps de l'ordre de U/4 (soit en pratique environ 2 ms) permet de s'affranchir de l'inconvénient sus mentionné. En bref, alors que le dispositif selon figure 2 travaille avec un seuil fixe, celui de la figure 3 fonctionne avec un seuil asservi et légèrement bruité. Dans ce dernier dispositif, le multiplicateur démodulateur M1 qui reçoit le signal d'entrée, alimente simultanément deux chaines en paras lèle, la channe supérieure comporte, en série, un intégrateur I2 fonctionnant de O à T/4, suivi d'une mémoire A2 qui conserve les signaux intégrés pendant encore 1/4 de période. La chaine inférieure comporte en série l'intégrateur I1 fonctionnant de T/4 à T/2 et un doubleur m. Les signaux issus des éléments A2 et m sont entrés simultanément dans le comparateur C1 suivi du détecteur de bits D. Bien entendu, il faut comprendre que les figures 2 et 3 ne sot que des schémas de principe théorique, dans lesquels par exemple les liaisons de commande des intégrateurs ne sont pas représentées. Pour effectuer la comparaison dans le comparateur, on opère par différence, c'est-à-dire que c'est un additionneur dans lequel les tensions sont entrées avec des polarités con traires. La figure 4 illustre comment les choses se passent. Sur la ligne I, on a représenté en trait plein un bit a,b,c,d, de valeur i, et en tireté un bit a,b,c',d' de valeur O (bits qui ont été détectés par M1) et sur la ligne Il, en regard, les tensions développées après intégration. Au bout du premier quart de période, on a formé dans la chaine supérieure une tension négative, de valeur -V, qui est stockée sans déperdition notable dans la mémoire A rendant le auart de période aussi suivant. Pour un bit (1) l'intégration steSSectueidans la chaine inférieure, sur le deuxième quart de période seulement et, grace au doubleur m on obtient une tension +2V; on obtient une tension nulle si ctest un bit de valeur 0. Dans le comparateur C1, on obtient donc, stil s'agit d'un bit de valeur 1, une tension 2V-V = V, ou s'il s'agit d'un bit de valeur 0, une tension -V+O = -V. Ainsi, à l'influence du bruit près (qui n'agit en pratique que dans un rapport de 3 dB environ), on obtient des tensions égales et de signe opposé - quelle que soit la valeur V, plus ou moins grande - tensions qui sont aisément exploitables dans le détecteur de bits. Sur la figure 5, on voit le schéma d'ensemble d'un décommutateur-selon l'invention. Il se compose essentiellement - d'une boucle t asservie en phase sur la fréquence sous porteuse, appelée boucle "haute" et formant un ensemble de détection cohérente pour restituer l'enveloppe m(t); - d'une boucle "basse" Bbs pour restituer la cadence de bit, et E - dtun ensemble décommutateur et de détection de bit/qui utilise les signaux issus des deux susdites boucles, et qui est construit suivant le principe de la figure 3 pour restituer les signaux 0, 1 et de synchronisation du train TDCS. En ce qui concerne la boucle haute, il s'agit d'un dispositif classique dans lequel, après un multiplicateur N2, on trouve un filtre de boucle F2 et un oscillateur 02 du type oscillateur commandé par tension, qui commande la deuxième entrée du multiplicateur N2 (éventuellement par l'intermédiaire d'un diviseur logique, suivant la fréquence de l'oscillateur)0 Cette boucle Bh permet d'effectuer la détection cohérente de 11 enveloppe du signal reçu, c'est-à-dire de restituer les trains d'impulsions et elle est associée à un multiplicateur M4 et à un déphaseur P1 à ire/2 pour alimenter l'ensemble de la boucle basse Bb et de la partie analogique E du décommutateur. La boucle basse 3b a une structure assez analogue à celle de la boucle haute \(multiplicateur N3, filtre F3, oscillateur 03) : elle est asservie sur la partie périodique du signal caractéristique de la cadence de bits. En effet, on stest aperçu dans la mise au point de l'invention, qu'on trouvait, dans le spectre du train aléatoire, des raies discrètes caractérisant la fréquence d'horloge des bits. il est donc possible d'asservir une boucle de phase sur cette composante périodique, afin de fournir les différents signaux de commande aux instants convenables pour actionner les intégrateurs Ii, 12, 13. L'ensemble décommutateur proprement dit E comprend d'abord les deux channes déjà décrites à propos de la figure 3; elles attaquent une bascule trigger 21 suivie d'un dispositif Ri de recopie logique fournissant les signaux 0 et 1. Pour obtenir les signaux de synchronisation (s) ayant la forme a b e , ligne I de la figure 4, on utilise la channe supérieure 12-A2 en coopération avec une chaîne supplémentaire I3-m', analogue à I1-m, agissant sur un comparateur C2, l'intégrateur 13 intégrant de T/2 à 3T/4, On a illustré en trait mixte sur la figure 4, ligne II, la variation du potentiel dans cette dernière chaîne et ln production des signaux de synchronisation se comprend sans difficulté par comparaison avec celle des bits (O) et (1). Ces signaux (s) sont produits aussi par l'intermédiaire d'une bascule trigger T2 et d'un dispositif R2 de recopie logique. Enfin, la figure 6 donne les courbes de probabilité d'erreur relevées avec un tel dispositif, qui en font ressortir 1'intér8t. Sur cette figure, on a porté en abscisses, en décibels, le rapport E de l'énergie moyenne E émise par bit à la No densité spectrale de bruit N0 (supposé blanc et gaussien) et en ordonnées logarithmiques la probabilité d'erreur de bit p(E), les bits étant supposés équiprobables et indépendants. La courbe 1 donne la probabilité d'erreur de bit obtenue avec un décommutateur selon l'invention, mais dont les signaux de commande des intégrateurs sont dépourvus de bruit (boucle Bb à bande infiniment étroite); la courbe 2, celle obtenue dans les myes conditions, mais avec des signaux de commande bruités. Cette dernière est tracée en effectuant la moyenne arithmétique des points d'une même verticale des courbes 3 et 4, respectivement pour la probabilité des 1 et celle des "Q", pris séparément. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qulil serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. De nombreuses variantes de réalisation sont en effet possibles en restant dans le cadre de l1 invention. Par exemple, il est clair qu'il revient pratiquement au même, au lieu de multiplier par deux dans la channe inférieure, figure 3, de diviser par deux dans la channe supérieure.Ou bien de supprimer le doubleur m et l'incorporer dans l'intégrateur li, par un choix convenable des éléments de l'intégrateur; ou bien de supprimer le doubleur et d'intégrer dans l'intégrateur 12 de 2/8 à /4 (pour les bits O et 1), D'une façon générale - mais en remarquant que ceci est désavantageux pour l'efficacité on n'est pas obligé d'intégrer sur la totalité des parties de période respectives O-T/4 et T/4-T/2 , --------une portion de ces parties suffit. On n'est donc pas obligé de se limiter à un doublage (en m). D'une façon plus générale, il est seulement nécessaire que L'extraction du signal d'information correspondant à toute valeur ou nature d'information stopère par comparaison, pour le but défini plus haut, de l'impulsion ou de la série d'oscillations redressées, qui est intégrée sur une partie de sa durée, caractérisant la valeur ou nature d'information de l'impulsion ou de la série, avec une grandeur de référence, obtenue localement par intégration, de l'impulsion ou de la série d'oscillations qui a été redressée, sur une partie de sa durée qui n'est pas caractéristique de cette valeur ou nature d'information, ladite comparaison étant réalisée grâce à des moyens ayant pour effet d'établir le seuil de référence, nécessaire pour décider de la nature d'un bit, à une grandeur nulle. On peut également généraliser la réalisation d'un décommutateur selon l'invention, sans se limiter au standard TDCS, le message dans ce cas étant composé de trains d'impul- sions non nécessairement modulées par une ondulation sous de porteuse, et pouvant représenter aléatoirement l'une d'au moine deux valeurs ou natures d'information, ces impulsions comportant toutes, dans une période T, une partie non caractéristique de durée T/n, l'une des valeurs d'information comportant une partie caractéristique de durée T/m (sans recouvrement avec la précédente) et une autre valeur d'information, une partie caractéristique de durée nulle, n et m étant des nombres pouvant être différents et dans ce cas le décommutateur de l'invention comporte deux channes alimentées en parallèle, dont l'une comprend un intégrateur intégrant, dans chaque période T, pendant la durée T/n correspondant à la partie non caractéristique et débitant sur un organe de mémoire conservant le signal intégré jusqu'à la fin de la durée T/m, et l'autre comprend un intégra teur intégrant, dans chaque période T. vendant la durée T/m comporte correspondant à la partie caractéristique, et/aussi des moyens d'accroissement relatif du signal fourni par ce dernier intémateur par rapport à l'autre, ces deux channes débitant sur un comparateur effectuant la susdite comparaison. REVENDICAtIONS 1. Décommutateur de télécommande ou analogue fonctionnant sur un message codé constitué par des trains dfimpul sions modulées en durée, c'est-à-dire dont les instants initiaux sont régulièrement espacés d'une période T dans le temps et dont la longueur varie suivant l'information de l'impulsion considérée, ledit décommutateur étant caractérisé en ce que l'extraction du signal de logique correspondant à une information 5opère par comparaison de l'impulsion intégrée sur une partie de sa durée, caractérisant son information, avec une grandeur de référence, obtenue localement par intégration de l'impulsion sur une partie de a durée qui n'est pas caractéristique de cette information, ladite comparaison étant réalisée grâce à des moyens ayant pour effet d'établir à une grandeur nulle le seuil de la tension de référence d'un top ou bit, pour décider de la nature de ce dernier. 2. Décommutateur selon revendication 1, pour décommuter des trains d'impulsions pouvant représenter aléatoirement l'une d'au moins deux valeurs ou natures dtinformation, ces impulsions comportant toutes, dans une période T, une partie non caractéristique de durée T/n, l'une des valeurs dtin- formation comportant une partie caractéristique de durée T/m sans recouvrement avec la précédente et une autre valeur d'information, une partie caractéristique de durée nulle, n et m étant des nombres pouvant autre différents, caractérisé en ce qu'il comporte deux channes alimentées en parallèle, dont la première comprend un intégrateur intégrant, dans chaque période T, pendant la durée T/n correspondant à la partie non caractéristique, et débitant sur un organe de mémoire conservant le signal intégré jusqu'à la fin de la durée T/m, et la deuxième comprend un intégrateur intégrant, dans chaque période T, pendant la durée T/m correspondant à la partie caractéristique, comporte et/aussi des moyens d'accroîssement relatif du signal fourni par ce dernier intégrateur par rapport à l'autre, ces deux chaînes débitant sur un comparateur effectuant la susdite comparaison. 3. Décommutateur selon revendication 2, pour extraire les bits 0 et 1 d'un message de type TDCS, caractérisé en ce que la durée T/noorrespond à l'intervalle de temps 0-T/4 dans la période T et la durée T/m à l'intervalle de temps T/4-T/2 dans la période T et en ce que lesdits moyens d'accroissement relatif sont constitués par un doubleur incorporé dans la deuxième channe. 4. Décommutateur selon revendication 2, pour extraire les tops de synchronisation d'un message du type TDCS, caractérisé en ce que la durée T/n correspond à l'intervalle de temps 0-T/4 dans la période T et la durée T/m à l'intervalle T/2-9T/4 dans la période 2 et en ce que lesdits moyens d'accroissement relatif sont constitués par un doubleur incorporé dans la deu xième chaine. 5. Décommutateur selon les revendications 3 et 4 prises ensemble, pour extraire les bits 0 et 1 et les tops de synchronisation d'un message du type TDCS, caractérisé en ce qu'il comporte trois chaînes alimentées en parallèle, dont l'une, comportant l'intégrateur intégrant dans l'intervalle 0-T/4, coopère avec chacune des deux autres, dont l'une comporte 1'intégrateur intégrant dans l'intervalle T/4-T/2 et un doubleur et l'autre l'intégrateur intégrant dans l'intervalle 7/2-3T/4 et un doubleur, par des comparateurs respectifs, pour fournir respectivement les bits d'information et les tops de synchronisation. 6. Décommutateur selon revendication 2, caractérisé en ce que les intégrateurs des deux susdites chaînes sont commandés en parallèle, par des impulsions rythmées extraites d'une boucle de phase restituant le rythme des bits. ?. Décommutateur selon revendication 2, caractérisé en ce que chaque impulsion étant constituée par une série d'oscillations, ces impulsions sont préalablement démodulées dans un détecteur synchrone avant de passer dans les susdits intégrateurs. 8. Décommutateur selon revendication 2, caractérisé en ce que chaque impulsion étant constituée par une série d'oscillations, ces impulsions sont préalablement démodulées dans un détecteur asynchrone, du type à diodes par exemple, avant de passer dans les susdits intégrateurs. 9. Décommutateur selon revendication 2, pour extraire les bits O et 1 d'un message de type TOCS, caractéris en ce que la durée T/n correspond à l'intervalle de temps T/8-T/4 dans la période T et la durée X/m, à 1'intervalle de temps /4-T/2 dans la période T et en ce que, les intégrateurs étant identi ques, lesdits moyens d'accroSssement relatif sont réalisés en fixant l'intervalle d'intégration du premier intégrateur à une durée T/8. 10. Décommutateur selon revendication 2, pour extraire les tops de synchronisation d'un message du type TAOS, caractérisé en ce que la durée T/n correspond à l'intervalle de temps T/8-T/4 dans la période et la durée T/4 à l'inter- valle T/2-3T/4 dans la période T et en ce que, les intégrateurs étant identiques, lesdits moyens d'arofssement relatif sont réalisés en fixant l'intervalle d'intégration du premier intégrateur à une durée T/8.