Brevet FR2237357A1 — publié le 19750207

La présente invention se rapporte à un discriminateur de fréquence présentant une caractéristique sensiblement linéaire de tension-frequence et concerne notamment un discriininateur de fréquence linéaire possèdant une caractéristique de tension de sortiefréquence qui est commandée #par un oscillateur commande' par cristal. Beaucoup de discriminateurs de fréquence sont du type à réglage unique ou double. La linéarité de tels discriminateurs de fréquence dépend de la linéarité des caractéristiques de décalage de phase ou dtamplitude de phase par rapport à la fréquence du ou des circuits résonnants. En général~ les discriminateurs de fré quence â circuit résonnant ne présentent qutune faible plage de déviation de fréquence linéaire. En outre, il faut régler le ou les circuits résonnants avec précision afin de minimiser la distortion sur la plage étroite de réponse.A cela 51 ajoute que les circuits résonnants du type inductance/condensateur ne sont pas particuliè- rement stables vis-à-vis du temps et de la température. La déviation peut entraîner des erreurs excessives d'écart de réglage, notamment dans les discriminateurs de fréquence à bande étroite. Le brevet américain n0 3 392 337 décrit un perfectionnement apporté à la linéarité des discriminateurs en utilisant une ligne à retard pour retarder le signal d'entre modulé en fréquence, Un détecteur de phase compare le signal d'entre retardé avec le signal entrée non retardé pour produire une sortie dont la fréquence est égale à la fréquence porteuse du signal d'entrée, mais dont llampli- tude a un rapport avec la différence de phase entre le signal dten- trée retardé et le signal entrée non retardé. La moyenne de ce signal de sortie est obtenu par un filtre passe-bas pour produire un signal dont l'amplitude correspond à la modulation de fréquence du signal d'entrée.Bien que cette disposition assure une meilleure linéarité sur des plages-plus grandes de fréquences de travail, la linéarité dépend de la stabilité du retard fourni par la ligne à retard. En général, les lignes à retard classiques ont besoin dtetre réglées et accordées avec soin. Ce qui est plus important, le retard fourni par la ligne à retard varie selon le temps, la tempe rature et la fréquence du signal entrée, ce qui réduit le degré de li néarité quton peut obtenir avec un tel discriminateur de fréquence. En outre, les lignes à retard sont grosses et encombrantes et ne se prêtent pas bien à des techniques de ininiaturisation.- Il est en outre souvent nécessaire que la vitesse de déviation ou de changement de fréquence soit elevée par rapport à la fréquence porteuse, Dans ces cas le filtre passe-bas décrit dans le brevet américain n0 3 392 337 ne peut pas distinguer entre le signal porteur et la modulation de fréquence, ce qui produit un signal de sortie excessivement de forme'. Un but principal de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et à vautres de l'art classique. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure l représente un schéma par blocs d'un mode de réalisation préféré de la présente invention; et - la figure 2 représente plusieurs formes d'onde idéales de l'appareil de la figure 1. En se référant maintenant à la figure 1, un signal d'entrée sinusoïdal modulé en fréquence introduit par le conducteur 10 dans un limiteur 12 est transformé en signal à onde carrée modulé en fréquence sur les conducteurs 14 et 16. Etant donné que le signal d'entrée modulé peut varier en amplitude lorsque l'appareil de la présente invention est incorporé dans un récepteur employé dans un emplacement lointain, selon un mode de réalisation'préféré de la présente invention le limiteur 12 est constitué par un amplificateur opérationnel (non illustré) à gain élevé, de sorte que les signaux d'entrée de faible amplitude provoque la saturation, ce qui 'a pour résultat des signaux de sortie à onde carrée.La sortie à onde carrée peut etre décalée en niveau ou écrêtée, pour obtenir les niveaux de tension désirés, au moyen d'une ou de plusieurs'dio- des polarisées (non représentées), de façon bien connue. L'onde carrée modulée en fréquence qui apparaît sur le conducteur 16 est amenée en tant que signal d'entrée à un registre à décalage à plusieurs étages 18. Un oscillateur 22 commandé par cristal 20 fournit une impulsion d'horloge par le conducteur 24 au registre à décalage 18 afin de controler le signal à onde carrée modulée en fréquence traversant le registre à décalage. Ainsi, l'onde carrée modulée en fréquence apparaît sur le conducteur 26 en tant #que sortie du registre a' décalage retardée dans le temps d'un intervalle déterminé par le nombre d'étages du registre à décalage et par la fréquence de l'oscillateur 22.Selon un mode #de réalisa tion préféré de la présente invention, le registre à décalage est constitué par un circuit intégré monolithique #OS et l'oscillateur est constitué par une boucle fermée comprenant deux inverteurs numériques intégrés TTL connectés en série et ayant une réaction né gative à la fréquence de résonance en série du cristal 20. Au besoin, la sortie sinusoidale de l'oscillateur peut être chan gée en onde carrée avant de 1 t amener au registre à décalage 18 par surmôdulation d'un amplificateur (non représenté) ou par une tech nique connue quelconque. A mesure que la fréquence porteuse du si gnal d'entrée augmente ou diminue, le retard fixe fourni par le registre à décalage provoque un décalage de phase augmenté ou di minué de manière correspondante respectivement entre le signal d'entrée retardé se trouvant sur le conducteur 26 et -le signal d'en trée présent sur le conducteur 14. Le signal d'entrée qui apparaît sur le conducteur 14 cons titue une entrée d'un circuit EXCLUSIF OU 28, dont l'autre entrée est constituée par le signal d'entrée retardé du conducteur 26. Le circuit EXCLUSIF OU 28 compare la phase des deux signaux d'entrée en effectuant une fonction EXCLUSIF OU, ce dont il résulte un si gnal de sortie sur le conducteur 30 qui est 'thautt' lorsque les deux ~entrées sont différentes et bas lor-sque les deux entrées sont les mêmes. Comme on le décrit ci-dessus, il en résulte un signal de sor tie d'impulsions de durée et#d'amplitude constantes, la fréquence de répétition des impulsions étant deux fois celle de la fréquence porteuse du signal d'entrée l'intervalle entre les impulsions étant déterminé par la différence de phase entre les signaux #appliqués au circuit EXCLUSIF OU 28, différence qui est déterminée par la fré - quence porteuse du signal d'entrée modulé en fréquence Selon un -mode -de réalisation préféré de la présente invention, le circuit EXCLUSIF OU 28 est constitué par un circuit intégré TTL. La sortie apparaissant sur le conducteur 30 est appliqué à un intégrateur, ou filtre passe-bas 32, qui# etablit la moyenne du signal amené parle conducteur 30. Etant donné que la fréquence de répétition des impulsions de durée et dtemplitude constantes, qui apparaissent sur le conducteur 30, est en raison directe de la fréquence, la moyenne de ces impulsions apparaissant sur le conducteur 34, constitue un signal continu, dont I'amplitude varie en raison directe de la déviation de fréquence de l'entrée modulée en fréquence ce du signal porteur.Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'intégrateur 32 est constitué par un circuit intégré,sans inductance qui comprend un amplificateur opérationnel à gain unitaire connecté à un circuit résistance-condensateur, tel qu'on l'a divulgué dans la publication "Electronics" du 18 août 1969 publiée par Mc Graw-Hîll. Le signal apparaissant sur le conducteur 34 constitue le signal démodulé et peut comprendre un signal sonore ou analogue. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le signal d'entrée est constitué par un signal modulé par deux fréquences ou manipulé par déplacement de fréquence (FSK), comprenant une première fréquence de modulation (inférieure à la fréquence centrale du signal porteur~) indiquant un espace, ou un ZERO logique, et une deuxième fréquence (supérieure à la fréquence centrale du signal porteur) indiquant une marque ou un UN logique. Lorsqu'un tel signal d'entrée est reçu, la sortie de l'intégrateur 32 a deux niveaux, savoir un niveau stable de courant continu d'une première amplitude représentant un ZERO et un deuxième niveau stable de courant continu d'une amplitude plus élevée représentant un UN.Afin de convertir ces changements de niveau en un train d'impulsions ayant des flancs postérieurs et antérieurs raides à arêtes vives, les signaux apparaissant sur le conducteur 34 sont appliqués à un amplificateur différentiel 38, dont l'autre entrée amenée par le conducteur 36 constitue un potentiel positif de référence dont l'amplitude se situe entre les deux niveaux apparaissant sur le conducteur 34. Par conséquent, l'opération de l'amplificateur différentiel 38 est telle qu'un niveau ZERO présent sur le conducteur 34 est moins positif que le potentiel positif du conducteur 36, ce qui fait que le potentiel du conducteur de sortie 40 est faible. De même, un niveau UN présent sur le conducteur 34 est plus positif que le potentiel positif présent sur le conducteur 36, ce qui fait que le potentiel présent sur le conducteur de sortie 40 est élevé.Les données démodulées se trouvant alors sur le conducteur de sortie 40 ont une forme adéquate pour les introduire dans un ordinateur ou dans un télétype. On comprendra mieux le mode de fonctionnement de la présente invention en se rapportant à la figure 1 et à l'intervalle de temps t à t8 de la figure 2. La forme d'onde 50 représente une o fréquence constante que l'on peut considérer comme la fréquence centrale fc d'un signal modulé en fréquence présent sur le# conducteur 10. La forme d'onde 52 représente le signal d'entrée#qui apparaît sur les conducteurs 14 et 16 après qu'il ait reçu une forme carrée dans le limiteur 12 et la forme d'onde 54 représente le signal d'entrée présent sur le conducteur 26 après avoir été retardé en traversant le#registre à décalage 18.Comme on le voit, le retard opéré par le registre à décalage est tel que la forme d'onde 54 est en retard par rapport à la forme d'onde 52 d'un quart de cycle, soit 900. Les formes d'onde 52 et 54 constituent les en- trées du circuit EXCLUSIF OU 28 et ont des amplitudes différentes pendant les intervalles t0-t#1; t2-t3-; t4-t5; et t6-t7, ce qui fait que la sortie du circuit EXCLUSIF OU, #représentée par la forme d'onde 56, est élevée pendant ces-intervalles de temps. De même, les formes d'onde 52 èt 54 ont la même polarité pendant les intervalles t1-t2; t3-t4; t5-t6; et t7-t8, ce qui fait que la sortie 56 du circuit EXCLUSIF OU 28 est basse pendant ces intervalles.Si on regarde la forme tonde 56, on voit que chaque impulsion de sortie a la même amplitude et la même durée qui est égale dans le temps au retard effectué par le registre à décalage 18. En outre, il se produit deux impulsions par cycle (t0-t4) d'entrée, ce qui fait que la fréquence de répétition#d'impuIsions à la sortie 56 est deux fois la fréquence du signal d'entrée fc. Comme on le voit clairement sur la figure 2,# la sortie 56 a une durée d'enclenchement de 50% pendant l'intervalle t0-t8. Par conséquent, lorsque l'intégrateur 32 établit la moyenne de la forme d'onde 56, il apparaît sur le conducteur 34 un niveau de tension continue égal à la moitié de l'amplitude V des impulsions de sortie 56, comme le montre la forme d'onde 58. Supposons maintenant que la fréquence porteuse 50 est réduite à une fréquence inférieure# ayant une durée d'oscillation une fois et demie plus longue que la fréquence centrale fc. Comme le montre l'intervalle de temps t8-t20 de la figure 2, il en résulte que le signal d'entrée retardé 54 est en retard du même intervalle par rapport au signal d'entrée 52.Toutefois, du fait que la durée d'oscillation est alors plus longue (t8-t14), le même retard repré- sente une plus petite fraction (un sixième) d'un cycle d'entrée, ce qui fait que le signal d'entrée retardé 54 n'est en retard par rapport au signal d'entrée 52 que de 600. il en résulte, comme on peut le voir, que l'entrée du circuit EXCLUSIF OU est dissemblable pendant les intervalles de temps t8-t9; t11-t12; t14-t15 et t17 t18 et a la même polarité pendant les autres intervalles.Il en résulte, comme le montre la forme d'onde 56, que les impulsions de sortie ont une durée et une amplitude égales à celles des impulsions produites par la fréquence#centrale fc pendant l'intervalle de temps tant8. En outre, la fréquence de répétition des impulsions est deux fois la fréquence d'entrée. Toutefois, l'écartement des impulsions est plus grand en raison du plus petit décalage de phase des signaux 52 et 54, décalage déterminé par la fréquence inférieure et par le temps constant de retard. Il en résulte une durée d'enclenchement de 33 1/3% qui produit, après avoir été traitez dans ltintégrateur 32, un niveau continu qui correspond à 33 1/396 de l'amplitude V de la sortie d'impulsions 56.Comme le montre la forme d'onde 58) ce niveau est moins positif que le niveau continu produit par la fréquence centrale pendant l'intervalle de temps tant8. Supposons maintenant que la fréquence porteuse 50 est augmentée à une fr#équence supérieure dont la durée d'oscillation est de trois quarts celle de la fréquence centrale fc. Comme le montre l'intervalle de temps t20-t32 de la figure 2, il en résulte que l'entrée retardée 54 est en retard par rapport au signal d'entrée 52 du même intervalle. Toutefois, étant donné que la durée d'oscillation est alors plus courte (t20-t23), le même intervalle de retard représente une plus grande fraction (un tiers) d'un cycle d'entrée, ce qui fait que le signal d'entrée retardé 54 est en retard par rapport au signal d'entrée 52 de -1200 . Il en résulte que l'-entrée-du circuit EXCLUSIF OU 28 est plus différent que semblable. Comme le montre la forme d'onde 56, il en résulte que les impulsions de sortie ont une durée et une amplitude égales à celles des impulsions produites par la fréquence centrale (t0-t8). En outre la fréquence de répétition d'impulsions est deux fois la fréquence d'entrée. Toutefois, l'écartement entre les impulsions dépend moins du plus grand décalage de phase des signaux 52 et 54, décalage déterminé par la fréquence plus élevée mais aussi par le temps constant de retard. Il en résulte une durée d'enclenchement de 66 2/3%, qui, après avoir été traitée dans l'inté- grateur 32, produit un niveau continu qui correspond a' 66 2/3% de Itamplitude V de la sortie d'impulsions 56.Comme le montre la forme d'onde 58, ce niveau est plus positif que le niveau-continu produit par la fréquence centrale fc. Comme il ressort de ce qui précède, l'appareil de la figure l sert à produire sur le conducteur 34 une sortie à courant continu sortant de l'intégrateur 32, les déviations d'amplitude de cette sortie étant directement proportionnelles aux déviations de fréquence du signal entrée modulé en fréquence 50.Si le signal rentrée est constitué par un signal FSK, la fréquence centrale n'est pas présente, seules une première fréquence représentant un ZERO logique (intervalle t8-t20) et une deuxième fréquence supérieure (intervalle t20-t32) représentant un UN logique. Lorsquton applique un potentiel de polarisation au conducteur 36 de l'ampli- ficateur différentiel 38, potentiel ayant une amplitude située entre les niveaux de tension 58 produits par démodulation d'un ZERO logique et d'un UN logique, #la sortie de l'amplificateur différentiel 38 présente sur le conducteur 40 a des contours nettement dessinés, comme le montre la forme d'onde 60, étant -une -reproduc- tion exacte des donnees contenues dans le signal FSK. On voit sur la figure 2 que, si le retard de la fréquence centrale fc correspond à un quart de cycle, la déviation maximale -# haute fréquence est déterminée par la fréquence qui provoque un déphasage de 1800 des signaux 52 et 54. Cela se produit à chaque fois que la durée d'oscillation de la fréquence est deux fois le temps de retard déterminé par le registre à décalage 18, ou à chaque fois que la fréquence est deux fois la fréquence centrale. Il ressort de ce qui précède que la déviation maximale à haute fréquence peut être supérieure à deux fois la fréquence centrale si le retard à la fréquence centrale provoque un décalage de phase inférieur à 900. On peut obtenir ce temps de retard réduit, pour la même fréquence centrale, en augmentant la fréquence de ltos- cillateur 22 ou en réduisant le nombre d'étages du registre à décalage 18. En outre, comme on peut le voir sur la figure 2, à mesure que la fréquence diminue, l'écartement des impulsions de sortie 56 augmente. Par conséquent, la déviation maximale à basse fréquence est déterminée par le niveau de tension le plus petit reconnaissable après l'établissement de la moyenne dans l'intégrateur 32. Comme c'est bien connu par ceux du métier pourtant, la déviation de fréquence voulue est la meme au-dessus et au-dessous de la fréquence centrale dans les systèmes de modulation de fréquence. Par conséquent, un retard d'un quart de cycle à la fréquence centrale, produit une bande passante utile de - 100 % fc. Or, si on augmente le retard pour qu'il soit supérieur à un quart de cycle à la fréquence centrale, la bande passante sera réduite. Toutefois, pour une déviation de fréquence donnée il se produira une plus grande variation dtamplitude à la sortie de l1in- tégrateur 32. De manière correspondante, si on réduit le retard pour qu'il soit inférieur à un quart de cycle à la fréquence cen trale, la bande passante sera augmentée, mais pour une déviation de fréquence donnée il se produira une plus faible variation dtampli- tude à la sortie de l'intégrateur 32. Si on suppose un retard d'un quart de cycle à la fréquence centrale et un registre à décalage 18 ayant soixante-quatre étages, le retard du registre à décalage 18 sera égal à soixante-quatre intervalles d'horloge. Si l'horloge a une fréquence de répétition deux cent cinquante-six fois la fréquence centrale fc, 11 intervalle I 11 intervalle 64 11 intervalleI d'horloge = 256fc et le temps de retard = 256fc ou 4fc corres- pondant à un déphasage de -90 à la fréquence centrale.Si le signal d'entrée augmentait ou diminuait en fréquence, le retard fixe correspondrait respectivement à un déphasage augmentant ou diminuant, le déphasage ~ étant défini par # = -90fx danslequel fx = la fréquence d'entrée fc Etant-donné que la durée d'enclenchement est de 50% à la fréquence centrale, on peut définir la durée d'enclenchement comme suit % durée d'enclenchement = 50fx fc Supposons que la sortie de l'intégrateur 32 varie entre 0 et#V volts, ltintégration de l'équation de la durée d'enclenchement #définit la tension de sortie Vo apparaissant# sur le conducteur 34 comme suit Vo = Vfx 2fc ce qui montre que l'action du discriminateur a été réalisé et que la caractéristique de tension de sortie Vo par rapport à la fréquence d'entree est parfaitement linéaire ne dépendant que de la stabilité du temps de- retard. Du fait que le temps de retard dépend de la fréquence des impulsions d'horloge, lesquelles sont commandées avec précision par un cristal 20 qui est indépendant du temps et de la température, on peut contrler aisément et avec précision le temps de retard, ce qui--assure des caractéristiques du di-scrimina- teur plus linéaires que celles obtenues jusquta présent par les circuits classiques. En outre, on peut modifier aisément la fréquence centrale fc de la bande passante de# l'appareil de la figure l en changeant le cristal 207 soit manuellement, soit automatiquement.En plus, le cristal 20 n'est pas gros#ni encombrant et se prête donc à des circuits miniaturisés. A ce propos, il convient de noter que le reste des composants de l'appareil de la figure peut se composer de circuits intégrés et/ou Jumelés. Comme on l'a décrit ci-dessus, la sortie du circuit EXCLU SIF ou 28 présente une# fréquence de répétition dtimpulsions qui est deux fois la fréquence du signal d'entrée malgré-que la proportion dtinformations reste la même dans les deux cas.-De- ce fait, la fré- quence de déviation du signal rentrée peut être pratiquement égale à la fréquence porteuse puisque# I1intégrateur 32 peut être facilement construit comme filtre passe-bas susceptible de rejeter des fréquences deux fois, ou meme plus la fréquence d'entrée tout en établissant avec précision la moyenne de fréquences égales ou inférieures à la fréquence d'entrée afin de produire une reproduction exacte des informations contenues dans le signal d'entrée modulé en fréquence. Supposons, pour une bande passante plus étroite, un temps de retard-égal aux trois quarts de la fréquence centrale. Le déca lage de phase å la fréquence centrale fc est donc de 2700, du fait que le temps de retard est de 3fc.Le déphasage ~ exprimé en de 4 grés est défini comme suit ~ = -270fX fc et la durée d1 enclenchement de la sortie EXCLUSIVE OU 56 est de 100 % lorsque fx = 2/3fc, du fait que le décalage de phase ~ est proche de 1800 à cette fréquence, 50 7# lorsque fx = 4/3fc, du fait que le décalage de phase ~ est de 3600 à cette fréquence. La ban- de passante est par conséquent limitée à 2fc à 4f c, soit 662/3 %. 3 3 L'équation correspondante de la durée peut être obtenue en déterminant l'inclinaison et le point d'intersection de 11 axe Y de la ligne droite représentant le rapport entre la durée dtenclenche- ment et la fréquence fx, ligne qui coupe la durée d'enclenchement de' 0%, 50% et 100% respectivement å des fréquences fx de 4/3fc, fc et 2/3fc. Il en résulte que la durée d'enclenchement % = 200 - 150 fx La tension de sortie Vo pour une tension d'alimentation V est déterminée par l'équation Vo = V (2-1,5 fx) fc Par différenciation des deux équations Vo décrites cidessus on obtient respectivement les quotients différentiels de 1,2 et - 1X, ce qui indique que la tension de sortie Vo pour une déviation de fréquence donnée est trois fois plus importante que lorsque le retard est dtun quart de cycle. REVENDICATIONS 1. Appareil de démodulation, caractérisé en ce qu'il comprend un registre à plusieurs étages sensible à un signal d'entrée modulé en fréquence, registre susceptible de retarder son signal de sortie pendant un intervalle de temps fixe, un moyen pour produire des impulsions d'horloae connecté audit registre afin de produire un signal qui# commande le passage du signal d'entrée modulé en fréquence dans ledit registre, ledit retard fixe étant déterminé par le nombre d'étages dudit registre et par la fréquence des impulsions dthorloge, et un circuit porte connecté de façon å recevoir le signal d'entrée modulé et le signal d'entrée modulé retardé afin d1obte- nir un signal de sortie dont les impulsions ont une amplitude et durée constantes, la durée dtenclenchement de ces impulsions étant déterminée par la différence de phase entre le signal d'entrée modulé et le signal d'entrée modulé retardé. 2, Appareil selon la reVendication l, caractérisé en ce que le circuit porte comprend un circuit EXCLUSIF OU et en ce que le signal de sortie du circuit porte présente une fréquence de répé tîtion dtimpulsîons qui est deux fois la fréquence porteuse du signal d'entrée modulé. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen pour produire les impulsions d'horloge comprend un oscillateur commandé par cristal afin d'obtenir de#s impulsions d'horloge a' une fréquence fixe. 4. Appareil selon la revendication 3, caracférisé en ce qutil comprend en outre un limiteur disposé entre le signal dtentrée modulé en fréquence et le circuit porte et le registre desti nézà a'donner une fo#rme d'onde carrée au signal d'entrée modulé. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'intégrations pour intégrer le signal de sortie du circuit porte. 6. Appareil selon la revendication5, caractérisé en ce que le signal d' entrée modulé est constitué par un signal modulé par deux fréquences, les moyens d'intégration produisant un signal de sortie à deux niveaux qui représente la modulation #par deux fréquences du signal dtentrée modulé. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour donner une forme d'onde carrée à la sortie à deux niveaux produite par les moyens d1inté- gration.