Brevet FR2399158A1 — publié le 19790223

L'invention concerne un circuit électrique non linéaire du genre dont l'entrée reçoit un signal electrique alternatif de fréquence déter- minée et d'amplitude variable et dont la sortie restitue un signal de m & e fréquence dont amplitude est une fonction croissante non linéaire de l'amplitude du signal d'entrée.De tels circuits sont connus - sous le nom de compresseurs lorsque la croissance relative de l'amplitude du signal de sortie est une fonction décroissante de l'amplitude du signal d'entrée ; - sous le nom d'expanseurs lorsque la croissance relative de l'ampli- tude du signal de sortie est une fonction croissante de l'amplitude du signal d'entrée ; - sous le nom de limiteurs ou d'écrêteurs lorsque Itamplitude du signal de sortie est une fonction approximativement linéaire pour les valeurs de l'amplitude du signal d'entrée inférieures à une limite déterminée et une fonction non linéaire asymptote à une limite supérieure pour les valeurs de l'amplitude du signal d'entrée supé- rieures à ladite limite. Tous ces circuits sont utilisés en audiofréquences, par exemple dans les dispositifs de réduction de bruit de bande magnétique dans un domaine de fréquence déterminée. Les expanseurs sont en outre utilises pour imposer une pre-distorsion de compensation au signal destiné à un amplificateur fonctionnant au voisinage de son gain maximum - donc en limiteur - par exemple l'amplificateur de microondes d'un émetteur de télécommunications (faisceaux hertziens, communications avec sateflites, etc.). Cette pre-distorsion peut être effectuée en fréquence intermédiaire.Dans un tel cas, l'expan- seur peut comprendre d'une part deux liaisons de transmission du signal d'entrée dont l'une comporte un limiteur et d'autre part des moyens d'additionner en opposition de phase les signaux de sortie des deux liaisons. On sait que tout circuit non linéaire du genre précité peut 1 qualifié par deux caractéristiques, à savoir : - sa caractéristique de transfert en amplitude (dite caractéristique de saturation s'il s'agit d'un limiteur) et - sa caractéristique de transfert en phase en fonction de l'amplitude de du signal d'entrée, dite souvent caractéristique de conversion amplitude-phase. A moins qu'ils ne mettent en oeuvre des circuits compliqués et cofteux (par exemple des amplificateurs exponentiels, logarithmiques, ete...et des déphaseurs à commande par tension), les circuits non linéaires du genre connu mettant en oeuvre des limiteurs à amplifi- cateurs saturés ou à diodes présentent l'inconvénient que leurs deux caracteristioues sont liées. Il est impossible de modifier la caractéristique de transfert en amplitude (par exemple dans les limiteurs à diodes en agissant sur la tension de pré-polarisation) sans affecter la caractéristique de conversion amplitude-phase. L'objet de l'invention est un circuit non linéaire doté de moyens simples permettant de régler ces deux caractéristiques de façons pratiquement indépendantes. Ces moyens permettent, en particulier - de conférer au circuit de ltinvention des formes de caractéristi ques de transfert d'amplitude que 1'on T ne peut obtenir au moyen des circuits non linéaires à diodes de l'art antérieur - d'utiliser ledit circuit, soit comme compresseur, soit comme expanseur - d'obtellir à à la volonté de L'opérateur une caractéristique de con- version amplitude-phase qui soit une fonction positive, négative ou nulle. Ces résultats font que l'utilisation du circuit de l'invention comme dispositif de pré-distorsion est particulièrement avantageuse, car il permet imposer des pré-distorsions complémentaires des distorsions à compenser. Le circuit de l'invention comporte, à la manière connue, des moyens de diviser le signal d'entrée en deux composantes, d' imposer à une première composante une distorsion d'amplitude, d'imposer entre les deux composantes un écart de phase déterminé et d'additionner les deux composantes déphasées pour obtenir le signal de sortie. I1 est caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'imposer aussi à la deuxième composante une distorsion d'amplitude et de commander indépendamment l'amplitude des deux composantes. Dans une forme de réalisation préférée pour sa simplicité et son efficacité, les moyens de diviser le signal d'entrée en deux composantes, d'imposer à celles-ci un écart relatif de phase et de les additionner comprennent - un coupleur d'entrée directif à deux sorties, l'entrée dudit coupleur recevant le signal d'entrée, une première sortie dudit coupleur délivrant une première composante et la deuxibme sortie dLivrant une deuxième composante déphasée de #/2 radians par rapport à la première composante ;; - un coupleur de sortie directif à deux entrées, la sortie dudit coupleur délivrant le signal de sortie, une première entrée dudit coupleur recevant la première composante et la deuxième entre recevant la deuxième composante et lui imposant un déphasage supplémentaire de t/2. Quant au moyens d'imposer à l'une et l'autre composante une distorsion d'amplitude et de commander séparément l'amplitude des deux composantes, ils comprennent - un premier atténuateur rèlable dont l'entrée est conneetée à la première sortie du coupleur d'entrée - un premier limiteur dont entrée est connectée à la sortie du premier atténuateur et dont la sortie est connectée à la première entrée du coupleur de sortie ; - un deuxième atténuateur réglable dont l'entrée est connectée à la deuxième sortie du coupleur d'entrée ; et - un deuxième limiteur dont l'entrée est connectée à la sortie du deuxième atténuateur et dont la sortie est connectée à la deuxième entrée du coupleur de sortie. Avantageusement, le circuit de l'invention comporte en outre - un troisième atténuateur réglable inséré entre la sortie de l'un des limiteurs et l'entrée correspondante du coupleur de sortie - une ligne à retard ajustable insérée en amont de l'une des entrées du coupleur de sortie. L'invention concerne aussi un expanseur comportant un circuit non linéaire conforme aux définitions ci-dessus. Le fonctionnement du dispositif de l'invention sera mieux compris à la lecture de la description qui suit et qui se réfère aux dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1 est un diagramme donnant, à titre de rappel, un exemple des caractéristiques de transfert d'amplitude et de conversion amplitude-phase d'un circuit limiteur - la Fig. 2 est un schéma d'un exemple de réalisation du circuit de l'invention ; - la Fig. 3 est un diagramme de Fresnel relatif à un cas de fonctionnement du circuit de la Fig. 2 ; et - la Fig. 4 est un schéma d'un exemple-de réalisation d'un expanseur selon l'invention. On considère d'abord la Fig. 1. L'axe des abscisses porte les valeurs E de la tension alternative d'entrée appli(Luee au limiteur, l'axe des ordonnées à gauche porte les valeurs S de la tension cte sortie correspondante et l'axe des ordonnées à droite les valeurs t de la variation du retard de phase d'un limiteur dans la zone non linéaire. La caractéristique de transfert d'amplitude S= f(E) est asymptote à un axe parallèle à l'axe des abscisses et dont l'ordonnée Ss représente la tension de saturation à la sortie. Cette valeur Ss est pratiquement atteinte pour une valeur Es de tension de saturation à l'entrée.La pente de la caractéristique de conversion amplitude phase #= g(E) est pratiquement constante au-delà de cette même tension Es. Enfin, la caractéristique S= f(E) comporte un domaine quasi-lineaire dont la limite supérieure correspond au point d'absclsse Et et d'ordonnée Si. Dans les limiteurs du genre connu, à amplificateur saturé ou à diodes, il est possible de modifier la valeur Ss, c'est-à-dire la caractéristique de transfert S= f(E), èn agissant sur les tensions d'alimentation ou de polarisation. Mais la carac éristique de conversion amplitude-phase v = g(E) est elle aussi affectée et l'est d'une façon univoque.A toute caractéristique S correspond une seule caractéristique . On considère maintenant la Fig. 2. Dans l'exemple considéré, le circuit non linéaire de ltinvention comporte - un coupleur directif 10 du genre connu ayant une entrée Il à laquelle est appliquée la tension d'entrée E, une sortie 12 non déphaseuse délivrant un signal de tension E/ (affaiblissement 3dB) et une sortie 13 délivrant un signal de tension E/ #2 diphasé de 1 2 radians;; - un premier atténuateur réglable 20 recevant le signal E/#2 ono déphasé de la sortie 12 et délivrant un signal de tension A1 E#2,le coefficient At inférieur à 1 étant déterminé par le jeu de l'entrée de commande 21 - un premier limiteur 30, du genre connu, dont les caractéristiques de fonctionnement sont analogues à celles représentées dans le diagramme de la Fig. t et sont commandées par le jeu de l'entrée de commande 31, Sa représentant la tension de sortie dudit limiteur ; - un deuxième atténuateur réglable 50 recevant le signal E/#2 déphsé de la sortie 13 du coupleur 10 et délivrant un signal de tension A2 E/#2, le coefficient A2 inférieur à 1 étant déterminé par le jeu d'une entrée de commande 51 ;; - un deuxième limiteur 60 de constitution analogue à celle du limiteur 30 et délivrant une tension - un troisième atténuateur 40 dont l'entrée est connectéeàla sortie du limiteur 30 et dont la sortie délivre une tension de valeur A3St, le coefficient A3 étant réglable au moyen d'une entrée de coninande 41; - une ligne à retard ajustable sans pertes 70 connectée en sortie du limiteur 60 - enfin, un coupleur directif de sortie 80 dont une entrée 82 non déphaseuse est connectée à la sortie de l'atténuateur 40, dont l'entrée déphaseuse 83 est connectée à la sortie de la ligne à retard 70 et impose au signal qu'elle reçoit un déphasage de #/2 et dont la sortie délivre le signal désiré qui est la somme, affaiblie de 3 dB, des signaux reçus à ses entrées. On considère maintenant la Fig. 3 en même temps que la Fig. 2. La Fig. 3 est un diagramme de Fresnel représentant en module et en phase les signaux de sortie de l'atténuateur 40, de la ligne à retard ajustable 70 et du coupleur 80. On suppose que les niveaux d'entrée des limiteurs 30 et 60 sont tels qu'ils fonctionnent an régime non linéaire. Ils ont tous deux une conversion amplitude-phase positive qui est plus importante t dans le limiteur 30 que dans le limiteur 60; cette différente est obtenue en agissant, ou bien sur les entrées de commande 3t et 61, ou bien en agissant sur le niveau d1entrée. Le coupleur 80 provoque un déphasage #/2 du signal a2S2 (vecte S#2 et l'additionne au signal a1S3 (vecteur S#3) correspondant à l'atténuation du signal a1 S1 par l'atténuateur 40.Son signal de sortie aS est représenté par le vecteur S#, somme des vecteurs S#3 et S2# On a négligé jusqu'ici l'action de la ligne à retard 70. Elle permet de corriger les différences de retard entre a liaison situés entre la sortie 12 du coupleur 10 et l'entrée 82 du coupleur 80 et j la liaison située entre la sortie 13 et t L'entrée 83, de telte sorte que. . pour un point de fonctionnement déterminé de la caractéris- tique de transfert d'amplitude des deux limiteurs, situé dans le domaine linéaire, les signaux additionnés par le coupleur 80 soient rigoureusement en opposition de phase. Caractérisitioues de transfert d'amplitude En raison de l'atténuation de 3 dB imposée par le coupleur 80, le module du vecteur t est donné par la relation suivante : Pour simplifier les calculs, on suppose que M1 et #2 né diffè- rent pas de plus de 10 degrés.On a donc, à 2 % près t S # (S2 = S2)/#2 (2) ou encore t S # (S2 - A3S1)/ (3) A la suite d'une augmentation de 1 amplitude E du signal d'entrée, la nouvelle relation entre les modules 1, S2 et S3 peut s1 exprimer ainsi t aS # (a2S2 - a1A3S1)/#2 (4) Pelotion dans laquel le a, a1 ct a2 sont dos cocfficients supérieurs 1. En divisant mombre à mombre la relation (4) par la relation (3) et en exprimant par &gamma; le rapport A3S1/S2, on trouve : a # (a2 - a1 &gamma;)/(1 - &gamma;) (5) La forme de la caractéristique de transfert d'amplitude du circuit de l'invention dans un domaine déterminé est approximative- ment évaluable par la valeur du coefficient a.On voit qu'elle est par conséquent fonction - des coefficients a et a2 donc des courbes de transfert des limiteurs 30 et 60 (commandés par les entrées 3t et 61) ; - du rapport , donc des coefficients d'atténuation imposés par les atttnuateurs 20, 50 et 40. On voit donc que le circuit de l'invention bénéficie d'une très grande souplesse d'adaptation puisque tous ces paramètres sont commandables. Caractéristioues de conversion amplitude-phase Si l'on choisit comme référence de phase l'axe porteur du vecteur S2 quand le limiteur 60 fonctionne dans sa one linéaire, on rappelle que les vecteurs S3, S2' et S ont respectivement comme angle de conversion amplitude-phase en fonctionnement non-linéaire #1, #2 et #, et comme module a1S3, a2S2 et aS, En considérant la Fig. 3, on voit que Les angles #1, #2, # étant inférieurs à 10 , on peut écrire en première approximation a2S2 (#2 -#) # -a1.S3 (# - #1) (7) D'où il vient A3S1 On rappelle que &gamma; est le rapport . S2 On voit que 1 valeur absolue et le signe de la conversion amplitude-phase dépendent des conversions amplitude-phase des limiteurs 30 et 60 dont le réglage est commandé par les entrées 31 et 61, et du réglage des attenuateurs 20, 50 et 40. Paramètres de réglage On sait que la caractéristique de transfert d'amplitude d'un limiteur quelconque peut s'exprimer par la relation analytique suivante dans laquelle S est l'amplitude de sortie, E l'amplitude d'entrée et K1, K2, K3 des coefficients caractéristiques du limiteur et dont la valeur dépend d'au moins un paramètre de commande dudit limiteur (par exemple la tension de pré-polarisation dans un limiteur à diodes). Au voisinage de la zone de fonctionnement linéaire, en première approximation, on peut assimiler exp(-K2E) au premier terme de son développement et I' on obtient S =K1K2E + K3E= (K1K2+K3)E (10) Le rapport des amplitudes de sortie S2 et S1 des limiteurs 30 et 60 dans la zone linéaire peut donc s'exprimer par la relation dans laquelle A1 et A2 dépendent respectivement de la position des atténuateurs 20 et 50, K11, K12 et K13 caractérisent le limiteur 30 et k21, k22 et k23 caractérisent le limiteur 60.Connaissant la caractéristique de transfert d'amplitude S=f(E) et la caractéristi- que de conversion amplitude-phase q, g(E) à obtenir, on peut fixer par la commande des entrées 31 et 61 les coefficients K11, K12, K13, K21, K22 et K23 On obtient alors la relation &gamma;; #A3KA1/A2 (12) dans laquelle K est une constante, Si les pentes des caractéristiques dè transfert d'amplitude des deux limiteurs sont à peu près les mêmes, autrement dit, si a2 # a1, la relation (5) devient a = a1 - a2 (13) c'est-à-dire que l'allure de la caractéristique de transfert d'amplitude du circuit de l'invention dépend en première approximation, pour un point de fonctionnement déterminé, de l'action sur la commande 31 du limiteur 30, ou bien sur la commande 61 du limiteur 60, mais ne dépend pas de la valeur de &gamma;. On considère naintenant le réglage de la caractéristique de conversion amplitude-phase. La relation (8) dépend de &gamma;. Dans le cas où a1 #a2, elle devient #2 - &gamma;. #1 Les valeurs de #2 et 1 étant déterminées par le réglage des limiteurs, la valeur absolue et le signe de la conversion amplitude- phase # dépendent ae la valeur de &gamma;, donc du réglage des atténuateurs 40, 20 et 50. Il existe ainsi une valeur de &gamma; pour laquelle # est nulle; le circuit de l'invention ne pressente plus de conversion amplitude-phase. Ainsi, tous les autres paramètres étant fixés, l'action de 11 entrée de commande 31 du limiteur 30 et celle de l'entrée de commande 61 du limiteur 60 permettent un réglage approximatif de la caractéristique de transfert d'amplitude et de la caractéristique amplitude-phase du circuit de l'invention. Des réglages précis peuvent être obtenus par retouches successives sur les atténuateurs 20, 40 et 50 et l'on peut donc obtenir a' la sortie du coupleur 80 un signal de réponse ayant strictement l'allure désirée. On remarquera en outre que, si lton règle l'atténuateur 50 pour faire fonctionner le limiteur 60 dans son domaine linéaire et si l'on règle les atténuateurs 20 et 40 pour faire fonctionner la limiteur 30 dans son domaine non linéaire tout en délivrant un signal d'amplitude S1 sensiblement inférieur à l'amplitude S2 du signal de sortie du limiteur 60, le circuit de l'invention fonctionne en expanseur au prix cependant d'une diminution sensible du niveau de sortie (ampliture S). L'invention permet de réaliser un expanseur ayant un excellent rendement et dont les caractéristiques peuvent être modelées avec une très bonne précision. La Fig. 4 en donne un exemple. On y retrouve, dans le rectangle 100, le schéma de la Fig. 2. Rentrée 11 du coupleur 10 est connectée à la sortie non déphaseuse d'un coupleur directif 110 dont l'entrée 111 reçoit le signal à traiter. La sortie 81 du coupleur 80 est connectée à l'entrée non déphaseuse d'un coupleur directif 180 dont la sortie 181 délivre le signal traité. La sortie déphaseuse du coupleur 1l0 est connectée à l'entrée déphaseuse du coupleur 180 par l'intermédiaire d'une ligne à retard réglable 170. On voit immédiatement que, si le circuit 100 est réglé pour fonctionner en compresseur, l'ensemble du schéma fonctionne en expanseur. On notera, pour terminer la présente description, que les exenîples de réalisation de l'invention décrits en référence aux Figes. 2 et 4 ont été choisis parmi les plus simples et- les plus économiques. Les composants 20, 40 et 50 sont des atténuateurs (par exemple de simples potelltiometres) et les compresseur 30 et 60 des limiteurs à diodes ou-à amplificateurs saturés. bais, l'essentiel étant de pouvoir agir sur l'amplitude relative des signaux c'entrée et de sortie des limiteurs, les atténuateurs peuvent être remplacés pour certaines applications par des amplificateurs linéaires àXgain réglable, par exemple à commande de gain par tension. REVENDICATIONS 1 - Circuit électrique non linéaire destiné à recevoir un signal électrique de fréquence déterminée et d'amplitude variable et à restituer un signal de même fréquence dont l'amplitude est une fonction croissante non linéaire de l'amplitude du signal reçu, ledit circuit comportant des moyens de diviser le signal d'entrée en deux composantes, des moyens d'imposer à la première composante une distorsion d'amplitude, des moyens d'imposer entre les deux composantes un écart de phase determiné et des moyens d'additionner les deux composantes déphasées pour obtenir le signal de sortie et étant caractérisé en ce au'il comporte en outre des moyens d'imposer aussi à la deuxième composante une distorsion d'amplitude et des moyens de comslanfler indépendamment l'amplitude des deux composantes. 2 - Circuit électrique non linéaire selon la revendication t, caractérisé en ce que les moyens de diviser le signal d'entrée en deux composantes, de leur imposer un écart de phase déterminé et de les additionner, comprennent - un coupleur directif d'entrée à deux sorties, l'entrée dudit coupleur recevant le signal d'entrée, une première sortie dudit coupleur délivrant une première composante, la deuxième sortie délivrant une deuxième composante déphasée de W2 radians par rapport à la première composante, - un coupleur directif de sortie à deux entrées, la sortie dudit coupleur délivrant le signal de sortie, une première entrée audit coupleur recevant la première composante, la deuxième entrée recevant la deuxième composante et lui imposant un déphasage supplémentaire de g/2 radians. 3 - Circuit électrique non linéaire selon la revaidication 2, caractérisé en ce que les moyens imposer à l'une et l'autre composante une distorsion d'iamplitude et de commander séparément leur ampliture comprennent - un premier atténuateur réglable dont l'entrée est connectée à la première sortie du coupleur d'entrée - un premier limiteur dont l'entrée est connectée à la sortie du premier atténuateur et dont la sortie est connectée à la première entrée du coupleur de sortie - un deuxième atténuateur réglable dont l'entrée est connectée à la deuxième sortie du coupleur d'entrée - un deuxième limiteur dont l'entrée est connectée à la sortie du deuxième atténuateur et dont la sortie est connectée d la deuxième entrée du coupleur de sortie. 4 - Circuit électrique non linéaire selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre - un troisième atténuateur réglable inséré entre la sortie de l'un des limiteurs et l'entrée correspondante du coupleur de sortie, - une ligne à retard réglable insérée en amont de l'une des entres du coupleur de sortie 5 - Expanseur comportant d'une part un coupleur directif d'entrée à deux sortie51 l'entrée dudit coupleur recevant le signal d'entrée, une première sortie dudit coupleur délivrant une première composante, la deuxième sortie délivrant une deuxième composante déphasée de t/2 radians par rapport å la première composante, d'autre part un coupleur directif de sortie a deux entrées, une première entrée dudit coupleur recevant la première composante, la deuxième entrée recevant la deuxième composante et lui imposant un déphasage supplémentaire de 1t/2 radians, enfin un circuit non linéaire fonctionnant en compresseur et inséré entre l'une des sorties du coupleur d'entrée et l'entrée correspondante du coupleur de sortie, ledit expanseur étant caractérisé en ce que ledit circuit non linéaire est conforte à l'une des revendications 1 à 4. 6 - Emetteur à radio-fréquence du genre comportant un amplificateur fonctionnant en régime non linéaire et un circuit.de prédistorsion dont la sortie est connectée à l'entrée dudit amplificateur, caractérisé en ce que ledit circuit de prE-distorsion est un circuit non linéaire conforme à l'une quelconque des revendications l à 5. 7 - Limiteur d'amplitude du genre de ceux utilisés devant un démodulateur de fréquence pour éliminer la modulation d'amplitude qui peut affecter un signal, caractérisé en ce que ledit circuit limiteur est conforme à l'une quelconque des revendications I à 4.