Brevet FR2476946A1 — publié le 19810828

247694.6 La présente invention concerne un modulateur-démodulateur à transfert de charges. On rapelle qu'un modulateur-démodulateur, couramment ap- pelé modem, comporte: - un modulateur, qui convertit une suite aléatoire de signaux binaires égaux à 0 ou à 1 en un signal analogique périodique, modulé en fréquence, en amplitude ou en phase,' et transmissible par le réseau téléphonique; - un démodulateur, qui convertit le signal analogique modulé fourni par le réseau en une suite de 0 ou de 1. La présente invention concerne les modems à modulation de fréquence qui sont connus sous le vocable anglo-saxon de Frequency Shift Keying ou F.S.K. Dans les modems F.S.K., à un zéro, le modulateur fait correspondre une sinusoïde à la fréquence FA et à un un, le modulateur fait correspondre une sinusoide à la fréquence Fz. La présente invention concerne les modems F.S.K. asyn- chrones, c'est-à-dire dans lesquels le passage de la fréquence FA a la fréquence Fz ou vice-versa se fait à un instant quelconque de la période du signal analogique. Les spécifications du C.C.I.T.T. prévoient toutes les carac- téristiques des modems, c'est ainsi qu'un modem à 1200 bauds a été étudié pour lequel FA = 1300 Hz et F. = 2100 Hz. Ce modem sera cité à titre d'exemple dans ce qui suit. Dans les modems F.S.K. asynchrones, le raccord des sinusoïdes aux fréquences FA et F. doit se faire de façon parfaite quel que soit l'instant o il se produit. Pour cela, on connait dans Part antérieur des modulateurs qui ne comportent qu'un seul oscillateur à une fréquence multiple de FA et de F. Ainsi, dans le cas o FA = 2100 Hz et FZ = 1300 Hz, l'oscillateur délivre du 100 x 13 x 21 Hz. Le signal délivré par l'oscillateur est écrêté puis envoyé dans un diviseur de fréquence logique qui permet de produire du 1300 ou du 2100 Hz avec un raccord parfait des signaux analogique fournis. Pour minimiser encore les parasites provoqués par le chan- gement de fréquence, on utilise un oscillateur produisant du k.(100 x 13 x 21) Hz, o k est de l'ordre d'une dizaine. Le raccord se fait alors entre des signaux analogiques aux fréquences k. 1300 Hz et k. 2100 Hz. Ces signaux sont ensuite envoyés sur un générateur de fonctions programmable qui comporte k états successifs et qui, permet de retrouver un signal échantillonné sensiblement sinusoïdal à 1300 ou 2100 Hz. On connaît par ailleurs par la demande de brevet français n'78.19141 publiée sous le n0 2.414.835 au nom de Texas Instruments, un modulateur pour modem F.S.K. (figures 17 et 18), qui comporte un générateur de fonctions programmable constitué de condensateurs C à C commutés par des transistors MOS montés en inverseurs INV 1 à INV 7. Les transistors-inverseurs sont com- mandés par des transistors MOS excitateurs S à S7 reliés à un registre à décalages. En commandant le registre à décalages, on synthétise un signal échantillonné sensiblement sinusoïdal à deux fréquences distinctes FA et FZ. Les modulateurs pour modems F.S.K. asynchrones selon l'art connu présentent l'inconvénient d'être difficilement intégrables car ils comportent soit un oscillateur à quartz, soit de nombreuses capacités de valeurs élevées. Ces modulateurs présentent aussi l'inconvénient d'être coûteux à réaliser. La présente invention concerne un modulateur pour modem F.S.K. asynchrone aisément intégrable et de faible coût. -30 Ce modulateur comporte un dispositif à transfert de charges qui comprend k électrodes de stockages, séparées en deux parties par une coupure selon la direction de transfert des charges. Les coupures sont positionnées de façon que la lecture des charges sous chacune des électrodes de stockage, lors du transfert d'une quantité de charges injectée dans le dispositif sous cette électrode, donne un courant ou une tension correspondant aux k valeurs échantillonnées sur une période du signal analogique à élaborer. La lecture des charges se fait à une fréquence égale à k.FA pour l'élaboration du signal analogique à la fréquence FA correspondant à un zéro ou à une fréquence égale à k.Fz pour l'élaboration du signal analogique à la fréquence F.Z correspondant à un un. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent; - les figures 1 et 2, deux modes de réalisation du modulateur selon l'invention; - les figures 3a et 3b, respectivement une suite de signaux binaires égaux à 0 ou à 1 et le signal modulé en fréquence obtenu par le modulateur selon l'invention; - les figures 4 et 5, des blocs-diagrammes respectivement d'un modulateur et d'un démodulateur comportant des filtres à transfert de charges selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. Les figures 1 et 2 représentent deux modes de réalisation du modulateur selon l'invention. Ce modulateur comporte un dispositif à transfert de charges 1 qui est représenté vu de dessus sur les figures 1 et 2. Les dispositifs à transfert de charges, qui sont bien connus de l'art antérieur, sont constitués par un substrat semiconducteur recouvert d'une couche isolante 2 sur laquelle alternent des élec- trodes de transfert 3 et des électrodes de stockage des charges 4, disposées perpendiculairement au sens de transfert des charges indiqué par une flèche. Aux deux extrémités du dispositif, deux diodes 5 et 6 assurent respectivement l'injection dans le substrat de charges électriques, qui sont les porteurs minoritaires du substrat, et l'évacuation de ces -4 charges. Sur application aux électrodes de transfert et de stockage de signaux d'horloge 01 et 02, de même période mais en opposition de phase, il y a transfert des charges d'une électrode de stockage à la suivante. Pour qu'il y ait continuité des potentiels créés dans le substrat semiconducteur sous les électrodes et pour qu'il y ait un sens de transfert des charges unique, on dispose les électrodes de stockage sur une surépaisseur d'isolant. Cette surépaisseur d'isolant peut être remplacée par un sur- dopage du substrat par implantation d'ions qui assure les mêmes fonctions. De même la description est faite dans le cas du dispositif à transfert de charges à deux phases 05 et mais l'invention s'applique aussi bien aux dispositifs à transfert de charges à trois phases par exemple. Les électrodes de stockage 4 sont séparées en au moins deux parties par une coupure 7 disposée selon la direction de transfert des charges. Lors de l'arrivée des charges sous une électrode de stockage, les charges stockées sous chaque partie de cette électrode sont lues par un dispositif de lecture des charges Dp et DN, comme cela est représenté sur la figure 1. Les dispostifs de lecture des charges Dp et DN sont reliés à un amplificateur différentiel 8 qui permet d'obtenir un signal pondéré positivement ou négativement selon la position de la coupure 7. Les dispositifs de lecture des charges en courant ou en tension sont bien connus de l'art antérieur, notamment par la demande de brevet français N0 77.13857 publiée sous le NI 2 389 899 au nom de THOMSON-CSF. Selon l'invention, le dispositif à transfert de charges comporte k électrodes de stockage 4 dont les coupures 7 sont positionnées de façon que la lecture des charges sous chacune de ces électrodes, lorsqu'il y a transfert d'une quantité de charges injectée par la diode 5 sous cette électrode, permette d'obtenir les k valeurs échantil- lonnées sur une période du signal analogique à élaborer par le modulateur; ce signal analogique est généralement une sinusoïde. La lecture des charges sous ces k électrodes de stockage se fait à la fréquence k. FA pour l'élaboration du signal analogique à la fréquence FA qui correspond à un zéro et à k. Fz pour l'élaboration du signal analogique à la fréquence Fz qui correspond à un 1. On constate donc qu'il suffit de changer la fréquence des signaux d'horloge 0 et 02 pour que la fréquence du signal analogique fourni par le modulateur soit modifiée. Le nombre k d'échantillons par période des signaux analogiques à élaborer doit être pris suffisamment grand pour satisfaire au théorème de Nyquist. On peut constater que l'augmentation de la valeur de k ne pose aucun problème au point de vue de la réalisation pratique puisqu'elle se traduit seulement par une augmentation du nombre des électrodes de stockage. Ainsi pour FA = 2100 Hz et FZ = 1300 Hz, on peut choisir k égale 24. La lecture des charges peut se faire de deux façons différentes. On peut injecter à la fréquence FA ou Fz une seule quantité de charges qui est lue lors de son arrivée sous chaque électrode de stockage, le transfert d'une électrode de stockage à la suivante se faisant à la fréquence k.FA ou k.F. On peut aussi injecter à la fréquence k.FA ou k.Fz quelques quantités de charges - trois ou quatre par exemple pour k égale 24 - et recommencer cette série d'injections à la fréquence FA ou Fz. Le transfert d'une électrode de stockage à la suivante se fait toujours à la fréquence k.FA ou k.Fz et la lecture des charges est donc réalisée sous trois ou quatre électrodes de stockage à la fois. On obtient alors l'intégrale partielle de la sinusoïde recherchée. La figure 2 représente, de façon plus schématique que la figure 1, un autre mode de réalisation -du modulateur selon l'invention. Dans le cas de la figure 1, on obtenait à la sortie de l'amplificateur différentiel 8 des valeurs positives ou négatives correspondant aux valeurs échantillonnées du signal analogique à éla borer qui est généralement une sinusoïde. Dans le cas de la figure 2, on se limite à l'élaboration de valeurs positives. Le modulateur selon l'invention est donc simplifié puisqu'il ne comporte plus qu'un seul dispositif de lecture des charges D relié à une partie de chaque électrode de stockage 4. L'amplificateur différentiel 8 est alors supprimé, ce qui est intéressant car l'amplificateur différentiel est encombrant et dif- ficile à intégrer. Au lieu d'élaborer un signal analogique sinusoïdal, on obtient alors un signal sinusoidal superposé à une composante continue a. qu'il est facile d'éliminer- par un condensateur C suivant le dispositif de lecture D. La longueur utile (c'est-à-dire celle sous laquelle s'effectue la lecture) de l'électrode de stockage de rang j égale alors: a. + sin(2xcj/k). Sur la figure 2, on n'a représenté schématiquement que les électrodes de transfert et de stockage du dispositif à transfert de charges. On a réuni par des traits discontinus les coupures des électrodes de stockage et on obtient ainsi l'allure du signal ana- logique élaboré. Les figures 3a et b représentent respectivement une suite de signaux binaires égaux à 0 ou à 1 et le signal modulé en fréquence obtenu par le modulateur selon l'invention. Si on considère que le niveau haut VH du signal représenté sur la figure 3a représente un un et que le niveau bas VB représente un zéro, on constate que la suite représentée sur la figure 3a comporte les signaux suivants: 1 1 0 1 0 1 0 1. La figure 3b représente le signal modulé en fréquence obtenu par le modulateur selon l'invention qui est simulé sur ordinateur. Les figures 4 et 5 enfin représentent des blocs-diagrammes 247e946 respectivement d'un modulateur et d'un démodulateur comportant des filtres à transfert de charges selon l'invention. Le modulateur est constitué d'un dispositif à transfert de charges 1, tel que celui représenté sur les figures 1 et 2, qui est suivi d'un amplificateur 9, d'un échantillonneur 10 d'ordre 0 et enfin d'un filtre passe-bande 11. Le filtre de sortie du modulateur, dans le cas du modem à 1200 bauds pris comme exemple, doit être passant de 500 à -4000 Hz environ car ce modem fonctionne en duplex (c'est à dire en utilisant simultanément la même ligne) avec un autre modem à 75 bauds pour lequel on a: FA = 450 Hz et Fz = 390 Hz. Le filtre d'entrée du démodulateur repéré par 12 sur la figuré a les mêmes caractéristiques que le filtre de sortie du modulateur. On sait dans l'art antérieur réaliser de tels filtres en mettant en série deux filtres actifs; un filtre passe-haut à partie de 500 Hz et un filtre passe-bas jusqu'à 4000 Hz. De tels filtres ont été également réalisés en utilisant des filtres récursifs à transfert de charges. On rappelle que dans un filtre récursif il y a ré-injection du signal de sortie à l'entrée du filtre, après généralement un déphasage de 1800 pour éviter l'oscil- lation. Les modes de réalisation selon l'art antérieur des filtres de sortie du modulateur et d'entrée du démodulateur ne sont pas satisfaisants car les filtres actifs sont encombrants et ne peuvent être intégrés et les filtres récursifs à transfert de charges sont difficiles à réaliser et en particulier exigent une grande précision sur la valeur des coefficients de pondération. Les filtres de sortie du modulateur et d'entrée du démo- dulateur selon l'invention sont des filtres à transfert de charges transversaux (c'est-à-dire non-récursifs) dont les coefficient de pondération sont déterminés par le résultat de la division entre le numérateur et le dénominateur du filtre récursif à transfert de charges ayant la caractéristique passe-bande souhaitée. Le nombre de coefficients réalisés par le filtre transversal est limité à environ une cinquantaine. Si la fonction de transfert en z du filtre récursif s'écrit: P (z) / Q (z) . Le résultat de la division du P (z) par Q (z) donne une polynôme comportant un nombre infini de coefficients et on se limite pour le filtre transversal à la réalisation des n premiers coefficients: P (z)/Q(z)=a +a1 z+...+an z +... Les filtres selon l'invention permettent d'obtenir des carac- téristiques proches de celles des filtres récursifs et présentent l'avantage d'être de réalisation beaucoup plus facile. Le démodulateur représenté sur la, figure 5 comporte à la suite du filtre passe-bande 12 un écrêteur 13 du signal sinusoïdal reçu de la ligne téléphonique. On réalise ensuite le produit du signal directement issu de l'écrêteur et de ce signal retardé d'un retard par un registre à décalages. En choisissant le retard T tel que 0 = uJ.X=1(/2 avec: FC= u C /2 -FA - f0 = Fz + fo, en sortie du multiplicateur 15, les signaux à FA et FZ sont superposés à des tensions continues égales mais de signes opposées et il est donc facile de les détecter et de transformer le signal analogique reçu de la ligne en une suite de 0 et de 1. Pour FA = 2100 Hz et F2 = 1300 Hz, la fréquence F-C égale 1700 Hz etrégale 150lis. Pour réaliser un retard aussi important, on peut utiliser un registre à décalages à transfert de charges. De plus, la multi- plication de signaux rendus carrés par l'écrêteur peut être très simplement réalisée par un "ou exclusif" 15. Après le "ou exclusif", on trouve un filtre 16 qui améliore l'allure du signal binaire transmis. Le filtre de sortie 16 du démo- dulateur peut être, comme le filtre de sortie 11 du modulateur et comme le filtre d'entrée 12 du démodulateur, un filtre transversal à transfert de charges qui comporte les n premièrs coefficients résultant de la division de P'(z) par Q'(z), avec P'(z)/Q'(z) la fonction de transfert en z du filtre récursif à transfert de charges ayant la caractéristique souhaitée. REVENDICATIONS 1. Modulateur-démodulateur à transfert de charges, constitué d'un modulateur assurant la conversion d'une suite aléatoire de signaux binaires égaux à 0 ou à 1 en un signal analogique périodique à deux fréquences différentes, FA et Fz, et d'un démodulateur assurant la conversion du signal analogique aux fréquences FA et Fz en une suite de 0 et de 1, caractérisé en ce que le modulateur comporte un dispositif à transfert de charges (1) comprenant k électrodes de stockage (4), séparées en deux parties par une coupure (7) selon la direction de transfert des charges, les coupures (7) étant positionnées de façon que la lecture des charges sous chacune des électrodes de stockage, lors du transfert d'une quantité de charges injectée dans le dispositif sous cette électrode, donne un courant ou une tension correspondant aux k valeurs échantillonnées sur une période du signal analogique à élaborer, la lecture des charges se faisant à une fréquence égale à k.FA pour l'élaboration du signal analogique à la fréquence F A correspondant à un zéro ou à une fréquence égale à k.Fz pour 'élaboration du signal analogique à la fréquence Fz correspondant à un un. 2. Modulateur-démodulateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte un amplificateur différentiel (8) dont l'entrée positive et l'entrée négative sont reliées à un dispositif de lecture des charges (DP, DN) en courant ou en tension, relié à une partie de chaque électrode de stockage (4). 3. Modulateur-démodulateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte un dispositif de lecture des charges (B) en courant ou en tension relié à une partie de chaque électrode de stockage (4). 4. Modulateur-démodulateur selon- la revendication 3, carac- térisé en ce que le dispositif de lecture des charges (D> est suivi par un condensateur (C) qui élimine la composante continue du signal de lecture. 5. Modulateur-démodulateur selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que la lecture des charges se fait sous plusieurs électrodes de stockage à la fois. 6. Modulateur-démodulateur selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que le filtre de sortie du modulateur (11) et le filtre d'entrée du démodulateur (12) sont des filtres transversaux à transfert de charges dont les coefficients de pondération sont déterminés par le résultat de la division entre le numérateur et le dénominateur du filtre récursif à transfert de charges ayant la caractéristique passebande souhaitée, le nombre de coefficients que comporte le filtre transversal étant limité. 7. Modulateur-démodulateur selon la revendication 6, carac- térisé en ce que ces filtres transversaux comptent environ 50 coefficients. 8. Modulateur-démodulateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le démodulateur comporte un filtre passe-- bande suivi d'un écrêteur (13) et d'un circuit "ou exclusif" (15) qui assure la multiplication entre le signal issu de l'écrêteur et ce même signal retardé de t= (1 /2). (1 /k) c) par un registre à décalages à transfert de charges (14). 9. Modulateur-démodulateur selon la revendication 8, carac- térisé en ce que le démodulateur comporte un filtre de sortie (16) transversal à transfert de charges dont les coefficients de pon- dération sont déterminés par le résultat de la division entre le numérateur et le dénominateur du filtre récursif à transfert de charges ayant la caractéristique souhaitée, le nombre de coef- ficients qui comporte le filtre transversal étant limité.