Brevet FR2298112A1 — publié le 19760813

La présente invention concerne un montage numérique suiveur de fréquence pour la mesure continue d'une fréquence porteuse d'impulsions, en particulier pour la détermination de la fréquence Doppler dans des appareils sonar a effet Doppler. Dans les appareils sonar à effet Doppler, la fréquence porteuse des trains d'impulsions d'échos doit être mesurée de façon très précise. Cette mesure présente des difficultés, car les impulsions sont de durée très courte. En outre, pendant la durée d'une impulsion, celle-ci peut etre interrompue par des interférences ou par des bulles d'air. Or, la fréquence est la mesure directe de la vitesse, de sorte que dans de telles conditions, on obtient des mesures erronées. I1 est connu de mesurer la fréquence du signal reçu en ajustant la fréquence d'un oscillateur à fréquence commandée par une tension de telle manière qu'elle concorde aussi précisément que possible avec la fréquence du signal reçu. I1 est en outre, connu de connecter des discriminateurs I effet Doppler a des circuits de réglage. Une réalisation de ce genre est décrite par exemple dans le Brevet Britannique 1.297.406. Dans une autre réalisation, aeux cylindres dentés ayant des nombres de dents différents sont entrainés par un moteur. Les dentures sont explorées optiquement ou magnétiquement. Deux fréquences sont ainsi engendrées. Les vitesses de rotation du moteur sont choisies telles que l'une de ces fréquences auxiliaires soit supérieure, et l'autre inférieure, a la fréquence du signal. Par superposition I la fréquence du signal, on obtient deux fréquences intermédiaires. Le moteur est réglé de telle manière que les deux fréquences intermédiaires soient égales entre elles. La vitesse de rotation du moteur est ainsi asservie I la fréquence reçue. Ce dispositif est réalisé I l'aide de filtres et de circuits de réglage.La période transitoire des filtres est finie, de sorte que ce montage fonctionne avec une certaine inertie et, par conséquent, ne répond pas a des impulsions brèves. Un autre ;nconvénient réside en ce qu'il est difficile de rendre ce montage exempt de dérive de sorte que des réajustements fréquents sont nécessaires. Un autre procédé connu repose sur un double mélange. On obtient un premier mélange en mélangeant la fréquence du signal avec la fréquence de l'oscillateur commandée par une tension I réajuster. On obtient le second mélange en mélangeant la fréquence du signal avec la fréquence de cet oscillateur déphasée de 900. L'oscillateur est réajusté sur la fréquence reçue. On obtient alors dans l'une des bran ches, en tant que référence, une tension continue sensiblement constante. Dans l'autre branche apparaît une tension continue proportionnelle I la différence de phase. Cette seconde tension continue peut être utilisée pour le réajustement. Le signal Doppler est la plupart du temps instable, et présente donc de fortes fluctuations de phase. I1 en résulte aisément des déphasages brusques (cycle slipping). S'il y a sensiblement égalité de fréquence, ce discriminateur fonctionne alors plutôt comme un discriminateur de phase. Ce n'est que lorsqu'il se produit un certain écart par rapport I la fréquence de consigne que l'effet de discriminateur de fréquence entre en jeu. D'après l'expérience, ce type de suiveurs I effet Doppler présente une erreur statistique relativement élevée et la valeur de mesure est très imprécise.Dans ce cas également, il est difficile de maintenir faible la dérive. L'invention a pour objet d'éviter les imprécisions des solutions connues basées sur une technique analogique et de trouver, en outre, une solution qui contrairement aux solutions connues est exempte de dérive. Un autre but de l'invention est de trouver une telle solution offrant une "gamme d'asservissement" aussi grande que possible en comparaison de la "gamme d'asservissement" relativement étroite des solutions connues et, de plus, exempte d'ambigultés. A cet effet, suivant l'invention, le montage suiveur de fréquence comprend un registre I décalage à n bits, un réseau de combinaison logique, un intégrateur et un oscillateur à fréquence commandée par une tension, en ce que, par l'intermédiaire d'une porte OU connectée aux bits (n-m) I (n-l) du registre I décalage, lors d'une coïncidence avec le bit de rang zéro, une impulsion de correction destinée à assurer le réglage de l'oscillateur est engendrée I une première sortie, en ce que cette impulsion de correction est supprimée, par la combinaison logique des sorties des portes, lors d'une colncidence du nème bit avec le bit de rang zéro, en ce qu'une impulsion de correction est engendrée I une seconde sortie lorsqu'il n'y a coïncidence ni avec l'un des (n-m)ème à (n-1)ème bit, ni avec le nème bit. Le signal reçu I analyser est tout d'abord amplifié et écrê- té en une tension rectangulaire. Chaque flanc positif de la tension rectangulaire est transformé par une bascule rythmée en une impulsion inr dividuelle. Ces impulsions sont donc séparées par des intervalles égaux chacun I une période de la fréquence du signal. Les impulsions individuelles sont introduites au rythme de décalage dans un registre à recalage et celui-ci est ainsi chargé. Pour une valeur déterminée de la fréquence du signal et pour une valeur déterminée du rythme de décalage, chaque fois et des qu'une nouvelle impulsion est introduite, il apparaît toujours une impulsion I la même position binaire. La position de registre I laquelle se trouve l'impulsion individuelle ou élémentaire est une mesure du rapport entre la fréquence du signal et la fréquence du rythme de décalage. On obtient pour chaque sens un signal de correction pour ajuster l'oscillateur du rythme de décalage réalisé sous la forme d'un oscillateur commandé par une tension 1 des fréquences élevées ou basses. Ceci se produit jusqu'S ce que s'établisse un rapport diviseur de fréquence qui est déterminé par le choix des positions de mémoire. Ce dispositif suiveur de fréquence suivant l'invention fonctionne donc dans de larges gammes de fréquence. Un autre inconvénient des montages antérieurs réside en ce que la position de phase de la tension du signal, I l'instant de la mise en route en fonctionnement impulsionnel, a une influence considérable sur le processus d'amorçage. Selon une autre caractéristique de l'invention, visant I remédier I cet inconvénient, quelques bascules sont insérées dans le montage suivant l'invention. On obtient ainsi des avantages suivants 1. Seules des oscillations entières sont analysées. 2. Le début et la fin de chaque oscillation de signal sont rythmés, c'est-à-dire coïncident avec les flancs contenus dans le registre I décalage. Le rythme de décalage est approximativement égal I un multiple de la fréquence du signal et, par exemple, égal I environ seize fois cette fréquence. 3. Après l'achèvement d'un train d'impulsions, l'évolution antérieure est "oubliée". Au début d'un train d'impulsions, les flancs sont introduits dans le registre. Immédiatement après la première la première oscillation, la première impulsion de correction peut être engendrée. La régulation est donc, I l'état amorcé ou permanent "immuable en phase". Comme le rythme de décalage est réajusté à chaque instant de telle manière qu'il corresponde h n fois la fréquence du signal, on peut commander avec ce rythme de décalage ou avec une fraction entière de celui-ci, un filtre commutatif qui se trouve ainsi asservi. Une limitation de bande étroite du spectre Doppler est ainsi possible d'une manière simple. Les avantages obtenus grâce I l'invention résident en particulier en ce que le montage suiveur de fréquence suivant l'invention, réalisé sous forme numérique offre unie large gamme d'asservissement qu'on peut encore élargir I volonté en augmentant le nombre des positions du registre décalage. En outre, ce montage numérique est entièrement exempt de dérive. Enfin, le montage suivant l'invention est immuable en phase à l'état permanent. Les signaux Doppler présentent d'impulsion en impulsion une fluctuation statistique de leur position de phase. Si un processus de réglagé a pour effet de réajuster la phase après le début d'une impulsion, il est souhaitable d'éviter ce processus de réglage car il ne fait que contribuer I l'instabilité dans le circuit de réglage sans utiliser la précision de l'asservissement I la fréquence. Si l'on ne dispose que d'un petit nombre d'oscillations en fonctionnement impulsionnel pour l'analyse de la fréquence, aucun des montages connus ne donne satisfaction, car le processus régulateur de phase est encore pleinement en cours alors que l'impulsion de signal est déjà passée. Pendant la régulation de phase, la fréquence doit obligatoirement être ajustée dans un cours délai. En raison du processus de réglage incomplétement terminé dans l'intervalle entre impulsions relativement long, il subsiste alors des écarts de réglage de l'oscillateur commandé par une tension qui conduisent de grandes erreurs statistiques. Dans le montage suivant l'invention, pour un nombre de bits n suffisant du registre I décalage, la position de phase peut varier volonté d'impulsion en impulsion sans qu'un signal de correction soit engendré. Le montage suiveur ou asservi suivant l'invention est donc adapté aux conditions des appareils sonar a effet Doppler. Alors que les impulsions émises sont cohérentes, les impulsions reçues sont essentiellement incohérentes bien que, pendant la durée d'une impulsion, des relations de cohérence existent. La durée de cohérence est donc soit du meme ordre de grandeur que la longueur des impulsions elle-même, soit notablement inférieure I cette longueur. Le montage asservi suivant l'invention fonctionne néanmoins avec les propriétés d'un discriminateur de phase rapide. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement I titre d'exemple La Fig.l représente l'organisation temps-impulsions du registre I décalage; La Fig.2 est un schéma symbolique, et La Fig.3 représente le montage d'un filtre I commutation. Le schéma symbolique de la Fig.2 met en évidence le fonctionne nement du montage suiveur de fréquence suivant l'invention. Le signal reçu porte la fréquence Doppler et est transposé I une fréquence intermédiaire appropriée. Lors de son introduction dans le montage, le signal traverse un filtre I commutation 1. Ensuite, il est amplifié dans un amplificateur-limiteur 2. Puis il est porté au niveau de référence numérique dans un circuit de déclenchement de Schmitt 3. Enfin, au moyen d'une bascule "je"4, le signal est réglé au rythme de décalage. Le rythme de décalage est engendré par un oscillateur 5 commandé par une tension, 1 la suite duquel est monté un diviseur "2:1"6.Le rythme de décalage est transmis de la sortie "Q" du diviseur 6 aux entrées d'horloge respectives des diverses bascules et donc, tout d'abord, I celle de la bascule 4. La bascule 4 est suivie d'une bascule 7. Celle-ci décale le signal d'une impulsion de rythme de décalage. Par une combinaison logique "ET" des deux signaux, une porte 8 engendre une impulsion négative qui coïncide avec le flanc positif du signal d'entrée et a une largeur égale I celle d'une impulsion de rythme de décalage. Cette impulsion négative est inversée dans une porte 9.Une autre bascule 10 supprime la première impulsion engendrée par la bascule 7 et dérivée du signal,car cette impulsion ne pourrait pas être déterminée en ce qui concerne sa position temporelle par le signal, mais seulement par le registre I décalage 12 ,Le rythme de fenêtre temporelle ne permet l'analyse de fréquence du signal reçu que lorsque celui-ci est devenu exempt dé phé nomènes secondaires perturbateurs. La seconde impulsion engendrée par la bascule 7 ne peut, toutefois, être produite que par le signal lui-même. Elle traverse une porte il une fois que le signal Q de la bascule 10 est parvenu I l'en- trée de cette porte sous l'action de la première impulsion. Ceci se produit après que le signal de remise I zéro du registre I décalage 12 a disparu. La seconde impulsion de signal, clest-a-dire la première impulsion de signal utilisable, apparaissant I la sortie de la porte 11 est introduite dans le registre I décalage 12. A ce moment, ledit registre décalage est encore vide. En conséquence, cette impulsion de signal ne doit pas encore être utilisée pour décider si une impulsion antérieure se trouve correctement dans le registre. Au contraire, cet effet, la seconde impulsion est I nouveau supprimée dans une bascule "JK" 13 du fait que celle-ci n'est commutée qul la fin de cette seconde impulsion. Des portes 14 et 15 ne sont donc traversées que par la troisième impulsion de signal.Nais, entre temps, la se conde impulsion de signal a traversé le registre décalage 12. Au moment de l'apparition de la troisième impulsion de signal, elle se trouve dans la porte 15. Pour assurer cela, il y a trois possibilités, qui sont désignées ci-après par les lettres a, b et c a) La seconde impulsion de signal se trouve dans l'une des dernières positions du registre I l'exception de la toute dernière. b) La seconde impulsion de signal se trouve dans la dernière position du registre. c) La seconde impulsion de signal est déjà sortie du registre. La Fig.1 montre comment, I chaque impulsion du rythme de décalage, l'impulsion de signal mémorisée est décalée d'un bit. Le cas a signifie que le rythme de décalage est trop faible par rapport I la fréquence du signal. Par l'intermédiaire d'une porte OU 16 à logique négative, une impulsion positive est engendrée à la sortie de cette porte. La combinaison logique "ET" dans la porte 17 impose comme condition que les impulsions des portes 15 et 16 apparaissent simultanément. Dans ce cas, une impulsion de correction négative est engendrée. Elle est rythmée par l'intermédiaire d'une bascule 18 et commande un compteur-décompteur 19. Ce dernier est suivi d'un convertisseur numérique-analogique 20 qui règle l'oscillateur, 5 I des fréquences plus élevées. Dans la cas b, la fréquence du signal et la fréquence de l'oscillateur de rythme sont dans le rapport correct. En conséquence, aucune impulsion de correction ne doit être engendrée. Aucune impulsion ne peut d'ailleurs non plus apparaître I la sortie de la porte 17. En l'absence du cas a, une porte d'inversion 22 assure la condition pour qu'une porte 21 fournisse des impulsions de correction de réglage I des fréquences plus basses. Toutefois, les conditions du cas b ne seraient ainsi pas non plus remplies. Pour éviter cet inconvénient, le seizième bit est directement appliqué å la troi sième entrée de la porte 21. En conséquence, si la fréquence de rythme est trop basse, une impulsion de correction est engendrée dans la bascule 18. Si la fréquence de rythme est correcte, aucune impulsion de correction n'est engendrée, ni dans la bascule 18 ni dans une bascule 22a montée I la suite de la porte 21 et l'on ne se trouve ni dans le cas a, ni dans le cas d, mais si la fréquence de rythme est trop élevée, une impulsion de correction est engendrée dans la bascule 22a. I1 semblerait de prime abord que la quantification par exem ple dans seize positions du registre & décalage seulement, devrait faire fonctionner le montage suiveur de fréquence de manière relativement grossière et discontinue. Or, des essais pratiques ont démontré que le dispositif suivant l'invention assure un réajustement, non seulement considérablement plus rapide, mais encore plus précis et sans suroscillations, jusqu'à obtention de l'équilibrage, que ce qu'on pourrait attendre avec ce nombre de bits. ème Si la porte OU 16 est également connectée au n bit du re- gistre à décalage, le verrouillage de la porte 21 par ce nè bit ne se produit pas. Lors de l'équilibrage, il s'établit une fréquence de rythme qui est 2 n+1 plus grande que la fréquence du signal. Si, par 2 exemple, comme sur la Fig.2, le registre à décalage 16 a seize bits 33 de longueur, la fréquence de rythme est - fois plus grande que la fréquence de signal. Avec ce montage, le cas b est éliminé. On obtient une régulation en deux points vraie ce qui, dans de nombreux cas, peut être désirable. Les propriétés du réajustement à effet Doppler peuvent être notablement améliorées si le signal reçu est filtré. A cet effet, le centre de la bande passante du filtre doit suivre le centre de gravité du spectre Doppler. Pour obtenir ce résultat, on utilise un filtre I commutation (Fig. 3). A la suite de ce filtre réajustable électriquement est monté un transistor à émetteur suiveur 23. Celuici est suivi d'un filtre passe-bande sélectif 24 qui rend plus étroite toute la bande de fréquence de fonctionnement. Le filtre à commutation est excité par l'intermédiaire de l'entrée 25, par la fréquence d'asservissement. Celle-ci est tirée par l'intermédiaire d'un diviseur 26 du générateur de rythme 5,6 (Fig.2). Si le registre I décalage comporte, par exemple, seize bits, la fréquence de rythme doit être seize fois plus grande que la fréquence de signal à l'état permanent. Le diviseur 6 doit comporter un rapport de division 1:4. Le filtre I commutation laisse alors passet une bande de fréquence symétrique par rapport à la fréquence du signal. La largeur de bande du signal Doppler croît, pour des raisons physiques, avec la vitesse. Il est donc souhaitable que la largeur de bande puisse être commutée de façon continue ou sans I- coups. Une telle commutation est obtenue suivant l'invention grâce au fait que la résistance longitudinale est subdivisée en au moins deux résistances partielles 27,28. Au moins l'une de ces résistances par exemple 27, est shuntée par un transistor I effet de champ 29, la tension de sortie du convertisseur numérique-analogique étant dérivée par l'intermédiaire du conducteur 30 pour une grandeur déterminée de cette tension de sortie qui peut être réglée au moyen d'un potentiomètre 31. La largeur de la bande passante est ainsi augmentée. Le filtre a commutation est partiellement shunté par la résistance 32. Celle-ci transmet au montage asservi, après le branchement de l'appareil, la fréquence de signal affaiblie jus qu'à ce que l'équilibrage soit accompli et que le signal filtre puisse passer sans être affaibli sur le parcours 27,28. Par l'intermédiaire d'amplificateurs régulateurs automatiques de niveau, le signal de sortie est maintenu constant I l'état transitoire. REVENDICATIONS 1 - Montage suiveur de fréquence numérique pour la mesure continue d'une fréquence porteuse d'impulsions, en particulier pour la détermination de la fréquence Doppler dans les appareils sonar Doppler, ledit montage étant caractérisé en ce qu'il comprend un registre à décalage I n bits (12), un réseau de combinaison logique 4, 7 à 11, 14, 15) un intégrateur (19,20) et un oscillateur (5) I fréquence commandée par une tension, en ce que, par l'intermédiai- re d'une porte OU (16) connectée aux bits (n-m) à (n-l) du registre à décalage lors d'une coïncidence avec le bit de rang zéro, une impulsion de correction destinée à assurer le réglage de l'oscillateur (5) est engendrée I une première sortie, en ce que cette impulsion de correction est supprimée, par la combinaison logique des sorties éme des portes, lors d'une coïncidence du n e bit avec le bit de ranb zéro, et en ce qu'une impulsion de correction est engendrée à une seconde sortie lorsqu'il n'y a coïncidence ni avec l'un des (n-m) éme ème (n-l) e bit, ni avec le n e bit. 2 - Montage suiveur de fréquence suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les impulsions de correction des première et seconde sorties sont transmises à un intégrateur numérique ou analogique (19,20) connecté à audit oscillateur (5). 3 - Montage suiveur de fréquence suivant là revendication 2, caractérisé en ce que les impulsions d'horloge du registre I décalage (12) sont tirées dudit oscillateur (5) directement ou par l'intermédiaire d'un viseur (6). 4 - Montage suiveur de fréquence suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit oscillateur (5) fournit des fréquences de rythme égales à 3 4 6 8 ou K avec lesquelles un filtre n n n asservi à- commutation (1) est commandé. 5 - Montage suiveur de fréquence suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le filtre à commutation (1) a sa largeur de bande modifiée grâce au fait que la résistance longitudinale(27,28) est partiellement shuntée par un ou plusieurs transistors à effet de champ (29). 6 - Montage suiveur de fréquence suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le critère de commutation du transistor à effet (29) de champ est fonction du réglage de l'intégrateur numérique (19, 20).