Brevet FR2391602A1 — publié le 19781215

L'invention concerne la technique des filtres transversaux pour un signal échantillonné et se réfère en particulier à un filtre Delta passe-bas non récursif, comportant une chaise d'éléments à retard et au moins un sommateur; qui combine les signaux sortant des différents éléments à retard après pondération avec des coefficients caractéristiques du filtre pour en dériver le signal de sortie du filtre, les retards T desdits éléments étant inversement proportionnels à la fréquence d'échantillonnage du signal, et comportant un élément supplémentaire à retard T, qui reçoit ledit signal de sortie du filtre et délivre le signal après un retard T audit sommateur à titre d'entrée supplémentaire. Un filtre Delta est un dispositif de filtrage, qui extrait d'un signal d'entrée les composants d'une bande de fréquences donnée, et qui délivre ces composants sous forme différentielle, c'est-i-dire que le signal sortant à un instant donné correspond à la différence entre l'échantillon filtré à cet instant et l'échantillon immédiatement précédent. Un filtre Delta pour un signal échantillcnné reçoit donc sous forme numérique ou analogique des échantillons d'un signal à la cadence d'une fréquence dite d'échantillonnage. On sait, qu'un filtre pour un signal - échantillonné peut comporter une chaume d'éléments à retard ou chalne à décalage, dont le retard est-inversement proportionnel à la fréquence d'échantillonnage. Dans ce filtre, on prévoit des multiplicateurs, qui reçoivent d'une part les échantillons disponibles derrière les différents éléments à retard, et d'autre part des coefficients caractéristiques du filtre. Le nombre des éléments de retard de la chaise dépend de l'affaiblissement en bande atténuez zdu filtre. En pratique, cet affaiblissement en bande atténuée dépasse souvent 40 dB.La formule générale pour un tel filtre est la suivante Dans une telIe structure, les problèmes auxquels la réalisation=est confrontée sont des problèmes de précision et de tolérance des éléments, en particulier des multiplicateurs. Pour respecter un gabarit tel que celui de la figure 1, qui est typique pour les équipements de transmission numérique, il faut que l'imprécisionzdes coefficients ak reste en dessous de 1%, et leur stabilité doit rester dans les mêmes limites en valeur relative, ce qui fait que l'erreur maximum admise en valeur absolue pour le dernier coefficient doit être 4 0,01 %. Ces impératifs rendent le coût de la réalisation excessif. Un des buts de I'invention est de proposer une structure où la précision et la stabilité demandées au coefficient de multiplication sont nettement moins sévères que dans une structure de filtre transversal classique. Ce but est atteint selon l'invention par un filtre Delta passe-bas non récursif pour un signal échantillonné comportant une chaihe d'éléments à retard et au moins un sommateur, qui combine les signaux sortant des différents éléments à retard après pondération avec des coefficients caractéristiques du filtre pour en dériver le signal de sortie du-filtre, les retards T desdits éléments étant inversement proportionnels à la fréquence d'échantillonnage du signal, et comportant un élément supplémentaire à retard T qui reçoit ledit signal de sortie du filtre et délivre le signal après un retard T audit sommateur à titre d'entrée supplémentaire, caractérisé par le fait que les coefficients de pondération sont soit (+1), soit (-1), soit zéro. Des caractéristiques d'une réalisation particulièrement avantageuse de l'invention sont décrites dans ce qui suit. L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide de quatre figures et de deux exemples de réalisation. La figure 1 représente le gabarit d'un filtre passe-bas dans un diagramme montrant l'atténuation du signal en fonction de la fréquence. La figure 2 représente le schéma général d'un filtre selon l'invention, et La figure 3 représente schématiquement une première réalisation pratique d'un filtre selon la figure 2 en technique CCD (charge couplez device). La figure 4 représente une autre réalisation pratique d'un filtre selon la figure 2. Soit 2N le nombre des éléments de retard de la chaîne qui est~alimentée par les échantillons e; du signal à filtrer. Reprenons la formule générale (1). Cette expression peut s'écrire On pose alors bk = ak - ak-l (3) et on obtient La durée de la fenêtre temporelle durant laquelle la réponse impulsionnelle est prise en compte est 2NT, et on considère cette réponse nulle en dehors de l'intervalle allant de -NT à +NT. En prenant le coefficient a N =O, on obtient Le nombre théorique des coefficients bk est le même que le nombre des coefficients ak s mais le nombre des valeurs différentes à représenter est réduit, et la dynamique, c'est-à-dire le rapport entre la plus grande valeur de bk et la plus petite valeur est réduit par rapport à la configuration initiale selon la formule (1) Appelons ce rapport m, m étant bmaX/p. p est la précision à exiger pour les pondérations qui correspond donc à la plus petite valeur représentable. Notons que le rapport m varie en fonction de la fréquence d'échantillonnage de la réponse impulsionnelle. Si l'on augmente cette fréquence, il existe une limite pour laquelle les coefficients bk ne sont plus répartis que sur un ensemble de trois valeurs, à savoir +p, -p et o. Comme la réponse impulsionnelle ne varie pas lorsque tous les coefficients sont multipliés par une constante, par exemple l/p, on obtient un filtre à fréquence d'échantillonnagefe suffisamment élevée pour que les coefficients bk prennent les valetas +1, -1 ou O. ll n'y a donc plus de pondération au sens multiplication du terme, puisque ces trois coefficients se réalisent aisément. La figure 2 représente le schéma général d'un filtre selon ce principe. Une chaise d'éléments à retard telle que 2 reçoit sur une extrémité 3 le signal échantillonné. La fréquence d'échantillonnage correspond à la fréquence de décalagé des échantillons dans la chaise. On regroupe les échantillons auxquels on veut appliquer le coefficient+l et les échantillons auxquels on veut appliquer le coefficient -1, et on relie les sorties des éléments à retard correspondantes à deux sommateurs 4 et 5 respectivement. Les échantillons auxquels on applique le coefficient zéro ne sont reliés à aucun des deux sommateurs. Le choix de ces coefficients est dérivé d'une méthode de synthèse bien connue. Puisque la structure cherchée au départ est non récursive, le point de départ de la synthèse est le calcul d'une réponse impulsionnelle ayant une longueur finie. Cette réponse est la transformée inverse de Fourier d'une fonction de transfert approchant au mieux le gabarit du filtre donné. Grâce à la simplification des coefficients, un seul inverseur 6 suffit pour la pondération. La sortie de cet inverseur 6 et la sortie du sommateur 5 sont combinées dans 'un sommateur de sortie 7, qui, pour satisfaire au caractère Delta, reçoit sur une entrée supplémentaire sa propre sortie décalée par un élément de retard 8 d'un seul temps horloge, La sortie 9 du filtre est constituée par la sortie du sommateur de sortie. Dans l'exemple de la figure 2, on a, pour pouvoir respecter le gabarit selon la figure 1, environ 650 éléments à retard tels que 2, et la fréquence avec laquelle s'effectue le calcul se situe aux environs de 350 kHz. Le problème de la tolérance est pratiquement résolu, car une erreur de 2% sur la valeur de l'échantillon entre la sortie d'un élément à retard et l'arrivée sur le sommateur de sortie est tout à fait admissible. Le nombre des éléments à retard paraît à première vue excessif pour une réalisation pratique utilisant des éléments discrets et devant avoir un intérêt économique. De nouvelles technologies en circuit intégré permettent de réduire notablement le coût d'un élément à retard. C'est en particulier le cas pour les techniques CCD et analogues telles que celles qui sont décrites dans le périodique Microelectronics, vol. 7, n0 2, 1975,pages 36 à 45. Dans cette technologie, chaque élément à retard est constitué d'une petite zone dans une couche semiconductrice. En appliquant une tension d'horloge à cette zone, on obtient une propagation de la charge de cette zone vers la zone voisine. Des amplificateurs à grille flottante, qui sont associés à chaque zone, permettent la lecture non destructive des échantillons. La figure 3 indique schématiquement l'application de la structure selon la figure 2 à cette technologie. L'entrée 3 est-appliquée à une extrémité d'une bande CCD 13, qui a plusieurs centaines de cellules à retard. Chaque cellule est associée à deux phases H1 et H2 d'horloge. Les cellules exploitées sont reliées à travers des amplificateurs à grille flottante tels que 10 à l'une des deux lignes de sommation 11 et 12 respectivement. Etant donné que dans cette technologie le signal de lecture est constitué par un courant, ces lignes accumulent les courants de tous les amplificateurs qui leur sont associés. Elles constituent donc les sommateurs intermédiaires 4 et 5 selon la structure de la figure 2. Le sommateur de sortie 7 regroupe donc les signaux accumulés des deux lignes et le signal sortant de la ligne à retard supplémentaire 8. En appréciant les possibilités de la technologie CCD ou similaire à transfert de charge (charge transfer device), on voit aisément qu'un filtre avec tous ses composants peut être réalisé sur une surface de quelques centimètres carrés. La figure 4 montre un autre exemple en technologie CCD qui se distingue du précédent par l'absence d'amplificateurs tels que 10 (figure 3) et par la présence de trois phases d'horloge. La bande 13' CCD est couverte-d'électrodes telles que 14. Chaque cellule à retard telle que 15 comprend trois électrodes de surface identique qui sont alimentées par trois phases d'horloge H1 H2 et H3. L'une de ces phases H3 qui alimente l'électrode centrale de chaque cellule est répartie selon deux lignes 16 -et - 17 correspondant respectivement aux coefficients +I et -1 et connectées directement aux entrées positives et négatives respectivement d'un amplificateur différentiel 18. L'impédance des lignes 16 et 17 vue vers les électrodes centrales dépend de la quantité de charge accumulée sous ces électrodes pendant la présence de la phase H3 de l'horloge. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus en détail. On peut, par exemple, appliquer l'idée de base de l'invention, qui est de rallonger la châine - des éléments à retard jusqu'à ce que les coefficients de pondération puissent devenir +1 et -1, à un filtre à recirculation. Dans ce cas les échantillons traversent la chine à retard plusieurs fois, et les valeurs des coefficients binaires évoluent au cours du temps en fonction de la circulation des échantillons dans la ligne à retard. Ces coefficients +1, -1 et zéro peuvent être programmés en synchronisation avec la recirculation des échantillons. REVENDICATIONS 1/ Filtre Delta passe-bas non récursif pour un signal échantillonne;comportant une chape d'éléments à retard et au moins un sommateur qui combine les signaux sortant des différents éléments à retard après pondération avec des coefficients caractéristiques du filtre pour en dériver le signal de sortie du filtre, les retards T desdits éléments étant inversement proportionnels à la fréquence d'échantillonnage du signal, et comportant un élément supplémentaire à retard T, qui reçoit ledit signal de sortie du filtre et délivre le signal après un retard T audit sommateur à titre d'entrée - supplémentaire, caractérisé par le fait que les coefficients sont soit +1, soit -1, soit zéro. 2/ Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il y a deux sommateurs intermédiaires (4, 5 11, 12), dont les sorties sont combinées dans un sommateur de sortie (7), l'un des sommateurs intermédiaires recevant les sorties des éléments à retard (2), auxquelles on veut appliquer le coefficient (+1), l'autre des sommateurs intermédiaires recevant les sorties des éléments à retard auxquelles on veut appliquer le coefficient (-1). 3/ Filtre selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en technologie CCD (charge couplèd device). 4/ Filtre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la chaîne à retard opère avec deux phases d'horloge (hui, H2). 5/ Filtre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit d'horloge opère avec trois phases d'horloge, la troisième phase d'horloge étant utilisée comme détecteur de courant et réalisant la sommation des différents courants correspondant aux coefficients +1 et -1.