Brevet FR2337466A1 — publié le 19770729

La présente invention concerne notamnent les liaisons téléphoniques analogiques avec répéteurs. Un bruit d'intermodulation apparalt lorsqu'un signal électrique traverse un élément non linéaire. Il est dû a la creation dans 11 élément non linéaire d'un signal parasite composé de produits d'intermodulations qui sont des combinaisons des fréquences fondamentales du signal appliqué a l'entrée de l'élément non linéaire. Les bruits d'intermodulation d'une chaîne d'amplificateurs sont formés des bruits d'intermodulation des éléments non linéaires de chaque amplificateur. Leur amplitude globale augmente avec le nombre d'amplificateurs de la chaîne et constitue une limitation pour ce dernier. Pour diminuer l'amplitude globale des bruits d'intermodulation d'une chaîne d'amplificateurs on cherche à réduire le plus possible les bruits d'intermodulation dus à chaque amplificateur de la chaîne en faisant fonctionner leurs éléments dans les parties les plus linéaires de leurs caractéristiques. Mais on est rapidement arrêté dans cette voie par les imperfections des composants. La présente invention a pour but de diminuer l'amplitude globale des bruits d'intermodulation d'une chaîne d'amplificateurs en agissant sur les déphasages existants entre les produits d'intermodulation de nême fréquence ayant pour origine des amplificateurs distincts afin que ces derniers se compensent au mieux. Flle a pour objet Im procédé de réduction des bruits d'intermodulation dans une chaîne d'amplificateurs consistant à placer entre certains amplificateurs de la chaîne, des déphaseurs introduisant des déphasages sensiblement constants dans la bande de fréquence du signal d'entrée de la chaîne, lesdits dephaseurs étant avantageusement des transformateurs inverseurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront des revendications jointes et de la description ci-apres d'un mode de realisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel - la figure I est un diagramne illustrant la composition des produits dtintermodulation dans une chaîne d'amplificateurs quelconques - les figures 2, 3 et 4 sont des diagrammes vectoriels illustrant la composition des produits dtintermodulation dans une chaîne d'amplificateurs à gain unité ayant des caractéristiques sensiblement identiques, - la figure 5 est un schema fonctionnel équivalent à un amplificateur pour un produit d'intermodulation creé par un élément non linéaire dudit amplificateur, - et la figure 6 le schéma fonctionnel d'une liaison de transmission analogique avec répéteurs à laquelle on a appliqué le procédé de réduction de bruit selon l'invention. La figure 1 est relative à la composition dans le cas général des produits dtintermodulation à une fréquence donnée I, d'une chaîne de n amplificateurs non linéaires 1 respectivement 2, ... n chacun ayant un gain ou affaiblissement G1 respectivement G2,... G et créant, pour un signal n d'entrée considéré, un produit d'intermodulation I noté I1 respectivement 2, ... In. Le produit d'intermodulation global à la fréquence I créé par la chaîne des n amplificateurs est égal a la somme vectorielle des produits d'intermodulation I1, ... In tels qu'ils apparaissent en bout de chaîne. Le produit d'intermodulation I. créé par l'amplificateur j est amplifié J dans la chaîne par les amplificateurs j+l, j+2, ..., g. Son amplitude est égale à Apres leur creation, les produits d'intermodulation 11, ... In ne subissent plus de déphasage entre eux car ils ont même fréquence I. L'angle de déphasage en sortie de chaîne entre deux produits d'intermodulation I. et I. dus à deux amplificateurs consécutifs ; et j+1 est égal a l'angle de J+1 déphasage entre ces mêmes produits dintermodulation à la sortie de l'amplificateur j+1. Connaissant l'amplitude des produits d'intermodulation I1 , ... In la sortie de la chaîne et l'angle de déphasage existant entre deux produits d'intermodulation b et 1j+i dus à deux amplificateurs consécutifs j et j+1, il est possible de construire vectoriellement la somme des produits d'intermodulation I1 ... In tels qu'il apparaissent en sortie de chaîne et par conséquent d'obtenir le produit d'intermodulation global à la fréquence I de la chaîne d'amplificateurs. Dans la figure 1 le produit global d'intermodulation à une fréquence donnée I est représenté par le vecteur reliant l'origine 0 à I'extrémité n d'une ligne brisée formée de vecteurs t , t représentant les produits d'intermodulation créés par chaque amplificateur tels qu'ils apparaissent en sortie de chaîne. On conçoit à l'étude de cette figure 1, l'importance du rôle des angles de déphasage existant entre les produits d'intermodulation dus à chaque amplificateur pour la détermination de l'amplitude du produit d'intermodulation global de la chaîne. Pour préciser davantage ce rôle, on étudie ci-après, relativement aux figures 2, 3 et 4, le cas où les amplificateurs de la chaîne ont un gain unité et des caractéristiques sensiblement identiques. C'est un cas très important en pratique car il correspond à celui des liaisons analogiques de transmission avec répéteurs où le problème des bruits d'intermodulation se pose avec le plus d'acuité. Dans ce cas, les amplitudes des produits d'intermodulation I1, ...In à la sortie de la chalne sont sensiblement égaux et il en est de même pour les déphasages existant entre eux. Dans la figure 2 la valeur des angles été choisie entre Les produits d'intermodulation I1, ... I dus à chaque amplificateur n 1, ... n composent une ligne brisée dont la forme se rapproche de celle d'un polygone étoilé. L'amplitude du produit global d'intermodulation est, dans ce cas, inférieure à celle du produit d'intermodulation créé par un amplificateur. Ce cas est par consequent très favorable. Dans la figure 3 la valeur des angles a été choisie entre O la ligne brisée composée des produits d'intermodulation I1, ... In crees par les amplificateurs 1, ... n a une forme qui se rapproche du contour d'un polygone régulier. L'amplitude du produit global d'intermodulation est supérieur à celle du produit d'intermodulation créé par un amplificateur à l'exception des cas où les extrémités de la ligne brisée se rejoignent. La figure 4 représente le cas extrême où les angles sont nuls. L'amplitude du produit global d'intermodulation de la chaîne est égale à la somme des amplitudes des produits d'intermodulation crée- par chacun des amplificateurs. C'est le cas le plus défavorable. En général, on rencontre simultanément les trois cas des figures précédentes car la valeur de l'angle est une fonction de la fréquence du produit global dintermoeulation consldere. Les caractéristiques des produits d'intermodulation dus à un amplificateur dépendent de celles du signal appliqué à l'entrée de l'amplificateur. Les amplitudes de ces produits dtintermodulation sont plus fortes pour certaines fréquences que pour d'autres. Il y a intéret à pouvoir agir sur les angles d'une part afin d'obtenir la compensation la meilleure possible pour les produits d'intermodulation dont les amplitudes sont les plus tortes même si cette action entraîne une compensation plus mauvaise pour les autres produits dtintermod1llation et et d'autre part pour éviter le cas le plus défavorable où les produits d'intermodulation s'additionnent en tension. On va nontrer ci-après qutil est possible dans la plupart des cas, de modifier l'angle de déphasage existant entre deux produits d'intermodulation Ij, et Ij+1 de fréquence I crées par deux axplificateurs j et j + 1 appartenant à une chaîne d'amplificateurs recevant un signal d'entrez x, sans nodifier les déphasages relatifs existant entre les fréquences fondamentales de ce signal d'entrée x, en plaçant un déphaseur entre les amplificateurs j et j+1. Pour effectuer cette démonstration, on montre d'abord qu'un amplificateur non linéaire auquel est appliqué un signal d'entrée x ayant pour composante fondamentale des fréquences A, B ... N et qui crée un produit d'intermodulation de fréquence I égale à une forme linéaire g desdites fréquences fondamentales est assimilable pour ledit produit d'intermodulation à un amplificateur linéaire, avec un certain gain et une certaine loi de phase, qui recevrait en entre un signal ayant une fréquence égale à la fréquence I et une phase égale à la forme linéaire g des phases LQ,(A), ... g (N) (N) des fréquences fondamentales A, B, ... N à l'entrée dudit amplificateur non linéaire.On calculera ensuite l'angle de déphasage existant entre deux produits d'intermodulation Ij et IK de fréquence I genérés à partir d'une forme linéaire g des fréquences fondamentales du signal d'entrée par deux amplificateurs j et j+1 connectés directement en série, le nouvel angle de déphasage existant entre les deux produits d'intermodulation I. etl+ lorsqu'un déphaseur ayant une loi de déphasage E est intercalé entre les amplificateurs j et t4 et la différence entre ces deux angles de déphasage. Les produits d'intermodulation que l'on retrouvent à la sortie d'un amplificateur recevant un signal d'entrée x sont créés par les différents éléments de l'amplificateur qui ne sont pas linéaires par rapport au signal d'entrée x. Les éléments non linéaires transforment un signal x en un signal y de la fnrmp ' = constante On admet que les amplitudes des produits d'intermodulation créés par les éléments non linéaires de l'amplificateur à partir d'un signal d'entrée x sont suffisamment faibles pour que l'on puisse négliger les produits d'intermodulation secondaires qu'il pourraient à leur tour provoquer.Dans ces conditions un produit d'intermodulation créé par l'amplificateur à partir d'un signal x appliqué à son entrée peut être considéré comme la somme des produits d'intermodulation disponibles en sortie de l'amplificateur et générés par chacun des élements non linéaires de ce dernier. Un produit d'intermodulation ayant pour origine un élément non linéaire considéré de l'amplificateur est créé à partir des fréquences fondamentales du signal x telles qu'elles parviennent audit élément non linéaire. Il est ensuite transmis vers la sortie de l'amplificateur. Pour le calcul de la phase de ce produit d'intermodulation, on peut assiniler l'amplificateur à une suite de trois éléments connectés en série et représenté à la figure 5 - un premier élément déphaseur 1 ayant une loi de phase le et représentant la partie de l'amplificateur traversée par le signal d'entrée x avant de parvenir à l'élément non linéaire considéré 2 - ledit élément non linéaire 2 qui par hypothèse transforme un signal xi en un signal y; de la forme avec &alpha;;i = constante - et un deuxième élément déphaseur 3 ayant une loi de phase # représentant la partie de l'amplificateur traversée par le produit d'intermodulation du à l'élément non linéaire 2 avant d'atteindre la sortie de l'amplificateur. On suppose que le signal d'entrée x appliqué à l'amplificateur comporte un certain nombre de fréquences fondamentales A, B ... N donne ayant pour amplitudes aA, s CLS , ... a pour pulsations #A,#B,#C et pour phases a l'origine Le signal x 1disponible à la sortie de l'élément déphaseur l et à l'origine du produit d'intermodulation créé dans l'élément non linéaire 2 o.et de la forme pour simplifier les notations on pose En réponse au signal x l'élément non linéaire 2 émettra un signal yl qui s'obtient en remplaçant x par sa valeur prise dans la relation (1) Si on développe l'expression précédente en transformant les produits de cosinus en somme on obtient ou ## est une constante, est un entier relatif, et G est l'ensemble des formes linéaires g, en remplaçant les termespar leurs valeurs on obtient Ce signal y1 est appliqué à l'élément déphaseur 3 qui le transforme en un signal y;; disponible à la sortie de l'amplificateur ayant pour forme avecX zeonstante Pour simplifier l'expression on note par g la forme linéaire sur un ensemble à N éléments définie par les coefficients , h variant de A à N en posant il vient Cette relation montre premierement que le produit d'intermodulation créé par un élément non linéaire d'un amplificateur auquel est applique un signal d'entrée x composé des fréquences fondamentales A, B ...N est formé de composantes ayant pour fréquences des combinaisons linéaires des fréquences fondamentales et deuxièmement, que, du point de vue de chacune de ces composantes, l'amplificateur se comporte comme un amplificateur linéaire ayant un certain gain et une certaine loi de phase qui recevrait en entrée un signal ayant la fréquence de la composante considérée definie par une forme linéaire g des fréquences fondamentales A, B ... N et pour phase à l'origine la forme linéaire g des phases à l'origine des fréquences fondamentales. Cette propriété reste vraie pour la somme des composantes du produit d'intermodulation émise par l'ensemble des éléments non linéaires de l'amplificateu à partir d'une même forme linéaire g des fréquences fondamentales du signal d'entrée x car elles ont toutes mêe fréquence = constante En conclusion, les produits d'intermodulation dus un amplificateur auquel est appliqué un signal d'entrée x ayant, pour fréquences fondamentales des fréquences A, B, . . N, sont formés de diverses composantes qui ont chacune une fréquence égale à une forme linéaire g des fréquences fondamentales A, B...N et une phase égale à la sonme d'un coefficient de déphasage fonction de l'amplificateur et de la forme linéaire g, et de la forme lineaire g des phases #o (A), ... à å l'entrée de l'amplificateur des fréquences fondamentales A, B... N. On considère ensuite deux amplificateurs ss et j+1 disposés en tandem dans une chaîne d'amplificateurs à laquelle est appliqué le signal x ayant pour fréquence fondamentale les fréquences A, B ....N. On calcule la différence de phase 4 existant à la sortie de l'amplificateur j+1 entre le produit d'intermodulationXcréê par l'amplificateur j à partir d'une forme linéaire g des fréquences fondamentales A, B ... N, et le produit d'intermodulation X aw par l'amplificateur j+1 à partir de la même forme linéaire g. Soient : ti (respectivement tP ) b > la loi de déphasage de l'amplificateur j(respectivement 3+1) pour des signaux appartenant à la bande de fréquence du signal d'entrée x ;'v,6 (respectivement Y ) le coéfficient de déphasage apporté par l'amplificateur 4 (respectivement +1) 4 la composanteX {respec tivement t du produit d'intermodulation issue de la forme linéaire g des frequencesa fondamentales A, B ... N ; C$6 t9treSpectivement t ss). 4 ht(gles phases des fréquences fondamentales A, B ... N à ltentree de lqamplificateur$4respectivement j+1) ;+respectivement +}ti ) la phase, à la sortie de l'amplificateur j+1 du produit d'interrodulation X t respectivement). On a La phase du produit d'intermodulation a j+1 à à la sortie de l'amplifica- teur j+1 est égale d'après la relation (2) à La phase9 #j+1 (K) d'une fréquence fondamentale k à l'entrée de l'amplificateur j+t est égale à la somme de déphasage * (k) apporté à la fréquence k par l'amplificateur j et du déphasage g$W l'entrée de l'amplificateur g de cette mêrne fréquence k d'où On en déduit :: La phase à la sortie de l'amplificateur j+1 du produit d'intermodulation est egale ala phase #j(#gj) de ce meme produit d'intermodulation a la sortie de lramplificateur j augmenté du dephasage #j+1 apporté par l'amplificateur j+1 à la fréquence g (A,...N) La phase du produit d'intermodulation à la sortie de l'amplificateur j est égale d'après la relation (2) à En combinant les relations (3), (4), et (5), on obtient On intercale entre les amplificateurs j et j+1 un déphaseur introduisant un déphasage # pour les signaux appartenant à la bande de fréquence du signal d'entrée x et on recommence le calcul de la différence de phase existant à la sortie de l'amplificateur j+1 entre les produits d'intermodulation En remarquant que tof J, t F 'ko) On obtient 4 (XX r X Co) En remarquant que : e on obtient D'où En soustrayant le relation (6) de la relation (7), il vient :: On peut ramarquer quten faisant étant une constante et f la fréquence, Ceci conduit à ne considérer par la suite que les écarts de phase par rapport à une loi linéaire en fonction de la fréquence. La relation (8) montre que le fait d'introduire entre deux amplificateurs j et j+l connectés en série un déphaseur apportant un déphasage1 permet de modifier le déphasage existant à la sortie du deuxième amplificateur j+1 entre les produits d'intermodulation :réés l'un par l'amplificateur j l'autre par l'amplificateur j+1 a partir dune forme linéaire g des fréquences fondamentales du signal d'entrée à la condition que la somme algébrique des coefficients de la forme g considérée diffère de +t . Dans la pratique les amplitudes des produits d'intermodulation crées par un amplificateur décroissent rapidement en fonction de leur ordre et on ne considère que les produits d'intermodulation d'ordres 2 et 3. Les produits d'intermodulation d'ordre 2 sont de la forme A+B ou A-B. En leur appliquant la relation (8) on obtient : A+B g() a+riB\ bq = A-B A-B g(S)2, ) =1z6A)-v(B) t+' AX - iLA 4 3) Les produits d'intermodulation d'ordre 3 sont de la forme A +B +C, A + B - C ou A - B - C.En leur appliquant la relation (8) on obtient -- Pour le cas où le déphasage est constant, on obtient On remarque que l'introduction d'un déphaseur entre les deux amplificateurs j et j+1 modifie les déphasages existants pour les produits d'intermodulation d'ordre 2 et 3 générés par chacun des amplificateurs à l'exception des produits d'intermodulation d'ordre 3 de la forme A + B - C. Le procédé de réduction des bruits d'intermodulation dans une chaîne d'amplification selon la présente invention est une application des résultats précédents. Il consiste à placer entre certains amplificateurs des déphaseurs introduisant des déphasages sensiblement constants dans la bande de fréquence du signal susceptible d'être appliqué à l'entrée chaîne d'amplificateurs. Ces déphaseurs ne modifient pas la forme du signal d'entrée car ils apportent les mêmes déphasages relatifs à toutes les fréquences fondamentales du signal. Ils modifient par contre les angles de déphasage relatifs existants entre d'une part les composantes des produits d'intermodulations d'ordres 2 et 3 (sauf ceux de la forme A + B - C) dus aux amplificateurs qui les précédent dans la chaîne et d'autre part celles dues aux amplificateurs qui les suivent dans la chaîne. Les emplacements des déphaseurs dans la chaîne et la valeur de leur déphasage peuvent être déterminés expérimentalement à partir des caractéristiques des amplificateurs de la chaîne et du signal appliqué à l'entrée de cette dernière de manière à obtenir, pour les produits d'intermodulation dont les composantes dues à chacun des amplificateurs ont les amplitudes les plus fortes, des angles de déphasage apportant la meilleure compensation possible. Ils peuvent aussi être déterminés à priori, pour éviter les cas de composition les plus défavorables pour les composantes les produits d'intermodulation. Par exemple dans le cas d'une-chaîne d'amplification à gain unité et à caractéristiques sensiblement identiques comme c'est le cas d'une liaison de transmission analogique avec répéteurs il est intéressant d'éviter que, parmi les composantes des produits d'intermodulation d'ordre celles qui ont des angles de déphasage relatif nuls s'additionnent en tension. Dans ce but, on utilise comme déphaseurs des transformateurs inverseurs disposés régulierement tous les k amplificateurs ou répéteurs lorsqu'il s'agit d'une liaison analogique à répéteurs, le nombre k étant superieur à deux.Conformément aux relations (9) ët ( 10), chaque transformateur inverseur modifie d'une valeur +les angles de déphasage relatif existant entre les composantes des produits d'intermodulation d'ordre 3 dus aux amplificateurs qui le précède et celles dues aux amplificateurs qui le suivent. Il en résulte que les composantes des produits dtintermodulation qui s ajoutaient se retranchent. L'inverse se produit également mais a peu d'importance car le nombre k est choisi supérieur à 2. Par contre, l'adjonction d'un transformateur inverseur tous les k amplificateurs ou répéteurs fait apparaître au niveau des groupes de k amplificateurs des sommes partielles de composantes de produit d'intermodulation qui s'additionnent alors qu'auparavant elles se compensaient. Pour limiter ce phénomène gênant, on a interet à rompre la monotonie en donnant au nombre k différentes valeurs pour une meme chaîne d'amplificateurs par exemple deux valeurs distinctes k1 et k2 sensiblement multiples l'une de l'autre. La figure 6 représente schematiqueent une liaison téléphonique entre deux terminaux A et B comprenant 13 répéteurs identiques représentés par des cercles qui ont éte hachurés lorsqu'un transformateur inverseur a été ajouté. Dans cet exemple, un transformateur inverseur a e-té placé tous les 2 ou 4 répéteurs. Grâce à l'ajout des transformateurs inverseurs il a été possible de réduire de moitié la puissance de bruit de la liaison due aux intermodulations. La présente invention a de très nombreuses applications dans le domaine de l'électronique par exemple pour la composition des bruits dtintermodulation entre - plusieurs étages d'un amplificateur - plusieurs amplificateurs en cascade tels qu'un terminal de ligne téléphonique - les répéteurs d'une liaison analogique sur paire coaxiale. REVENDICATIONS 1/ Procéde de réduction des bruits d'intermodulation dans une chaîne d'amplificateurs caractérisé en ce que l'on place entre certains amplificateurs des déphaseurs introduisant chacun un déphasage sensiblement constant dans la bande de fréquence du signal d'entrée de la chaîne. 2/ Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits déphaseurs sont répartis régulièrement le long de la chaîne tous les k amplificateurs. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dits déphaseurs sont répartis régulièrement tous les k amplificateurs, k prenant alternativement plusieurs valeurs k distinctes les unes des autres. 4/ Procédé selon la revendication 1, appliqué à une chaîne d'amplificateurs ayant sensiblement mêmes caractéristiques d'amplification et de distorsion, formée par une liaison analogique avec répéteurs caractérisé en ce que lesdits déphaseurs sont disposés entre certains répéteurs. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits déphaseurs sont répartis régulièrement le long de la liaison analogique tous les k répéteurs. 6/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits déphaseurs sont répartis régulièrement le long de la liaison analogique tous les k répéteurs, k prenant alternativement plusieurs valeurs distinctes. 7/ Procédé selon l'une des revendications précedentes, caractérisé en ce que les dits déphaseurs sont des transformateurs inverseurs.